текст
«Магический песок» поможет понять физику гранулированной материи
Детская игрушка оказалась идеальным модификатором межчастичной адгезии и механических свойств для исследователей.
Учёные из Токийского столичного университета обнаружили, что в смеси покрытого силиконом «волшебного» и обычного песка частицы первого смешиваются только друг с другом. При этом добавление в смесь силиконовой модификации выше определённого порога приводит к резкому изменению кластеризации и жёсткости.
Как объясняют сами исследователи, их открытие в будущем может лечь в основу новых простых и полезных способов настройки потока гранулированных материалов для промышленности. Известно, что волшебный песок представляет собой популярную детскую игрушку, где каждая гранула материала покрыта отталкивающим воду силиконом. Сам по себе песок представляет собой крайне необычный материал. Он может течь как жидкость, в то же время сохраняя многие свойства твёрдых тел и меняя их при намокании. За исследование поведения скоплений мелких частиц в науке отвечает физика гранул, применяемая в обработке и транспортировке широкого спектра гранулированных материалов, от зерна и риса до песка.
Расчёты поведения мелких частиц являются главной головной болью для специалистов в этой сфере. Гранулы взаимодействуют между собой с помощью простой ньютоновской механики, но когда их становится слишком много, возникает эмерджентная сложность поведения потока, которая пока не может быть объяснена простыми уравнениями. Учёные по всему миру ищут лучшие теоретические модели для объяснения поведения гранул, в то же время пытаясь создать удобные «модельные системы», способные дать представление о том, как микроскопическая структура гранулированных материалов порождает их макроскопические свойства.
В новом исследовании под руководством доцента Мари Тани и профессора Рей Куриты из Токийского столичного университета специалисты изучали свойства песка при намокании. Учёным было известно, что его большая липкость и тяжесть в значительной степени обуславливается образованием капиллярных «мостиков» жидкости между частицами. Главной проблемой в изучении влажного состояния песка оказалась трудность приготовления его однородной смеси. Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи решили использовать волшебный песок. Как результат, команда обнаружила, что эта детская игрушка не только сильно притягивает свои частицы друг к другу через тонкие нити масла, но и полностью игнорирует обычный песок, просто натыкаясь на него, как на сухие зерна.
Изучив необычные свойства волшебного песка, учёные сделали вывод, что смешивание его в различных соотношениях с обычным позволяет свободно изучать свойства влажного песка вплоть до мельчайших жидких фракций. Воспользовавшись тремя независимыми методами, включающими в себя просеивание, измерение плотности и формирование устойчивых насыпей песка, они также обнаружили, что механические свойства смеси резко меняются, когда доля волшебного песка в нормальном песке превышает 20 процентов. Такой результат согласуется с выводами теории перколяции, которая изучает, как связи между частицами охватывают пространство, позволяя песчаной смеси вести себя значительно более твёрдо и выдерживать собственный вес.
Отмечается, что созданные учёными смеси представляют собой удобный и легко модифицируемый материал для промышленности. Открытие также представляет собой особый интерес для исследователей гранулярной физики.
Фото: Shutterstock
Наука
Илья Склюев
Машины и Механизмы
Всего 0 комментариев
Марсоход Perseverance впервые проехался по Красной планете
Разработан новый метод точного определения биологического возраста
