Механізм розрідження зсуву в переохолоджуваних рідинах - фізика
Ожиріння, надмірна вага, цукровий діабет, зрозуміти і діяти № 5 - "Ключовий фактор" - www.regenere.org (січень 2021).
Дослідники з Університету Токіо повідомляють, що структурна ентропія двох тіл є ключовою величиною для розуміння динаміки стрижених переохолоджуваних рідин та механізму явища розрідження зсуву.
Переохолоджені рідини
Рідини - це найменш зрозумілий стан речовини. Будучи посередником між газами та твердими речовинами, їх поведінка є непередбачуваною сумішшю двох. Склоутворюючі рідини особливо незвичні і можуть охолоджуватися нижче точки замерзання без кристалізації. Такі переохолоджені рідини стають в'язкими зі зниженням температури і з часом стають склоподібними твердими речовинами (склянки) нижче температури склування. Ми спостерігаємо таку добру поведінку в процесі видування скла.
Зараз у статті, опублікованій у PNAS, два дослідники з Інституту промислових наук (IIS) Токійського університету відкрили нові знання про поведінку переохолоджених рідин, отриманих зсувом.
Зрізати переохолоджені рідини
Спочатку рідина циркулює в переохолодженому зсуві («тяга»), її в’язкість залишається незмінною. Але оскільки рідина змушена текти швидше, в’язкість починає дивно зменшуватися, і рідині стає легше текти (тобто вона стає менш клейкою). Це явище називається зсувним стоншенням, і це промислово важливий процес, наприклад, коли дві змащені поверхні легко ковзають одна об одну. Незважаючи на десятиліття досліджень та великі зусилля багатьох дослідників, механізм витончення зсуву залишається невідомим.
Дослідники IIS використовували імітації комп'ютерних відеокарт (GPU) для імітації декількох переохолоджених рідин на комп'ютерних моделях, коли вони зсувають потік. Знижена переохолоджена рідина не просто легше тече; розташування молекул також змінюється зі збільшенням потоку (також зване структурою рідини). Ці факти ускладнюють опис переохолоджених рідин зсуву за допомогою базових теорій. Натомість дослідники IIS використовували ентропію для опису динаміки переохолоджених рідин. Ентропія - міра порядку ранжування системи; кристал має тенденцію бути більш упорядкованим, ніж рідина, і тому має нижчу ентропію.
"Розглядаючи розташування молекул під зсувом, ми могли б пов'язати поведінку переохолоджених рідин під зсувом із фундаментальним поняттям у фізиці, а саме ентропією, а точніше структурною ентропією двох тіл", - пояснює співавтор Тронд С. Інгебригцен. "Крім того, оскільки в експериментах можна легко розрахувати ентропію двох тіл, наші результати можна перевірити не лише за допомогою комп'ютерного моделювання. Попередні спроби використання ентропії двох тіл стикалися з такими проблемами, як зміна розташування молекул під зсувом або структурна анізотропія, не бралася до уваги ".
Коли рідина змушена швидше циркулювати під зсувом, розташування молекул повинно адаптуватися до нової ситуації та викликати структурну анізотропію в рідині. Це означає, що, наприклад, структура, виміряна щодо напрямку потоку, виявиться різною і впливатиме на властивості системи в цілому.
"Змінивши ентропію двох тіл з урахуванням цих структурних змін, що відбуваються під зсувом, ми змогли описати динаміку зсуву, використовуючи поведінку рідини, що не зсувається. Ми виявили, що ентропія двох тіл була розрахована на вісь L ' Потік був ключовою величиною для опису динаміки зсуву. Ентропію двох тіл в інших напрямках можна було б безпечно ігнорувати, - пояснює Інгебригцен. - Інтуїтивно зрозуміло, що структура вздовж напрямку розтягування є важливою, оскільки зсувний потік у цьому напрямку відкриває більше простору і молекул може легше втекти ".
Комп’ютерне моделювання не виявило повного механізму витончення зсуву, але відкриття кореляції між динамікою зсуву та структурною ентропією двох тіл дало змогу зрозуміти структурні зміни, які мають значення для розуміння явища витончення зсуву d ''.
"Ми дуже раді, що всі наші модельовані модельні рідини дали такі чіткі результати, оскільки вони були обрані для охоплення дуже широкого кола модельних рідин, особливо важливих для експериментів", - пояснює співавтор Хаджіме Танака. "Зараз завдання полягає в тому, щоб більш детально зрозуміти мікроскопічний механізм цих спостережень, щоб повністю зрозуміти механізм стоншення зсуву. Ми залишаємось дуже позитивними в цьому питанні".