Ученые научились предсказывать момент, когда твердое превращается в жидкость

Когда кетчуп не хочет вытекать из бутылки, виноват переход из твердого состояния в жидкое. Ученые выяснили, как предсказать этот момент, опираясь только на свойства вещества в состоянии покоя — и это открытие может повлиять на разработку новых материалов.

Ученые показали, что можно предсказать переход материала из твердого состояния в жидкое (текучесть), опираясь только на его свойства в покое, без сложных экспериментов

Источник: Unsplash

Работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, посвящена феномену текучести — моменту, когда вещество перестает вести себя как твердое тело и начинает течь, как жидкость. Исследование провела команда из Университета Род-Айленда под руководством Райана Полинг-Скутвика и Дэниела Кина.

Ученые показали, что критическую точку перехода можно предсказать, анализируя только свойства материала в состоянии покоя. Это особенно важно для так называемых жидкостей предела текучести, например, зубной пасты, желе или майонеза, которые твердые при слабом воздействии, но становятся текучими при определенном напряжении.

Это открытие объясняет, почему кетчуп, зубная паста и другие вязкие продукты внезапно начинают течь — и поможет точнее разрабатывать такие материалы

Источник: Unsplash

Команда использовала эксперимент с гелем, состоящим из полимера в водно-спиртовом растворе. Вещество размещали между двумя параллельными пластинами и подвергали колебаниям. Измеряя напряжение и деформации, они определяли два параметра — модуль накопления, связанный с запасаемой энергией, и модуль потерь, отражающий потери энергии на внутреннее трение.

Оказалось, что при достижении предела текучести модуль потерь резко увеличивается. Эта точка, как выяснилось, напрямую связана с «тангенсом угла потерь» — величиной, которую можно измерить до начала деформации. Аналогичные закономерности подтвердились и для других веществ: эмульсий, гелей и даже фибриллярных сетей, аналогичных тем, что присутствуют в тканях.

Аппарат, используемый для определения свойств твердой фазы и начала жидкой фазы сложных жидкостей

Источник: Physics magazine, American Physical Society

Используя модель KDR, исследователи показали, что поведение всех изученных веществ можно описать универсальной зависимостью, связывающей параметры, измеренные до и после перехода. Это позволяет упростить предсказание поведения сложных материалов без необходимости сложных и ресурсоемких измерений.

Результаты имеют прикладное значение в пищевой промышленности, медицине, 3D-печати и производстве, где важно управлять текучестью материалов.

Понимание того, как твердые вещества становятся текучими, помогает не только в быту или промышленности, но и при изучении экстремальных состояний вещества. Например, недавно ученым удалось заглянуть внутрь жидкого углерода, вещества, которое существует при давлениях и температурах, сравнимых с ядрами планет, — об этом вы можете прочитать в этой статье.