Die Studie zeigt, wie körnige Materialien aus einem Stau herauskommen

Die Studie zeigt, wie körnige Materialien aus einem Stau herauskommen

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Anonim

Wissenschaftler untersuchen komplizierte Probleme scheinbar einfacher Phänomene

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Die Physiker der Universität von Chicago haben sorgfältige Messungen des fließenden Sandes durchgeführt, um die langjährigen Fragen zu klären, wie sich Gläser auf atomarer Ebene von Flüssigkeiten unterscheiden. Dies berichten die Wissenschaftler in der Zeitschrift Nature vom Donnerstag, 23. Juni.

Bild: Eric Corwin (sitzend), Doktorand in Physik, und Heinrich Jaeger, Professor für Physik, beide an der Universität von Chicago, überprüfen Daten aus ihrer neuen Studie, wie sich das Verhalten von körnigen Materialien von einem festsitzenden in einen fließenden Zustand ändert . Die Studie, die am 23. Juni in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wird, hat Auswirkungen auf die Lösung langjähriger Fragen, wie sich Gläser von Flüssigkeiten auf atomarer Ebene unterscheiden. Das Gerät im Vordergrund zeigt Kraftlinien an, wie sie als Reaktion auf die Kraftanwendung von oben durch Polymerscheiben übertragen werden.

Glas fließt genau wie Flüssigkeiten, jedoch mit einem so trägen Tempo, dass es bei Raumtemperatur praktisch wie ein Feststoff aussieht. Doch nach jahrelangen Experimenten ist es den Wissenschaftlern immer noch nicht gelungen, festzustellen, ob sich Atome in Glas anders anordnen als in Flüssigkeiten.

Jetzt hat ein Team von Physikern an der Universität von Chicago die zwischen körnigen Partikeln ausgeübten Kräfte gemessen, als diese von einem statischen in einen fließenden Zustand übergingen, der wahrscheinlich Änderungen entspricht, die auf atomarer Ebene in Glas auftreten, wenn es bei steigenden Temperaturen flüssig wird. Der Befund hat keine bekannten Anwendungen, sondern befasst sich mit einem Problem, über das Wissenschaftler seit Jahrzehnten rätseln.

"Darüber wurde spekuliert. Es wurde simuliert, aber nicht direkt gemessen", sagte Heinrich Jaeger, Professor für Physik an der Universität von Chicago. Jaeger ist Mitautor des Nature Papers, zusammen mit Eric Corwin, Diplom-Physiker, und Sidney Nagel, Professor für Physik bei Stein-Freiler Distinguished Service, beide an der Universität von Chicago.

Sand - oder winzige Glasperlen bei den Chicago-Experimenten - entspreche theoretisch unter Umständen Atomen in Gläsern, sagte Jaeger. Gläser verhalten sich bei Raumtemperatur wie eine gefrorene Flüssigkeit, während Sand und andere körnige Materialien einen ähnlichen gefrorenen Zustand, der als Verklemmen bezeichnet wird, erfahren, wenn sie durch die Schwerkraft zusammengedrückt werden.

"Glas fließt nicht einmal auf enormen Zeitskalen und ist wirklich verstopft", sagte Corwin. Unter bestimmten Bedingungen beginnen sowohl Gläser als auch körnige Materialien wie Flüssigkeiten zu fließen.

Die Chicagoer Wissenschaftler haben nun zum ersten Mal die Kräfte gemessen, die zwischen einzelnen Teilchen in körnigen Materialien wirken, wenn sie ihren Übergang von einem verklemmten Zustand in einen fließenden Zustand vollziehen. Computersimulationen an der Universität von Chicago und anderswo zeigen, dass dieser Übergang dem ähnelt, den Atome beim Schmelzen von Glas erfahren.

Es ist sehr schwierig, Kräfte zwischen einzelnen Atomen zu messen, außer auf einem Computer. Aber Corwins Messungen dieser Kräfte in körnigen Materialien dienen als eine Art Lupe, sagte Jaeger und ermöglichte ihm, den Störungsübergang, der von den fließenden Perlen in seinem Experiment hinterlassen wurde, leichter zu lesen.

"Wir können tatsächlich sehen, was passiert, wenn Sie von einem blockierten in einen nicht blockierten Zustand wechseln", sagte Jaeger.

Die Versuchsapparatur enthält einen Zylinder, der mit 50.000 bis 100.000 Glasperlen gefüllt ist. Ein motorisch angetriebener Drehkolben drückt die Wülste von oben zusammen. Die durch den rotierenden Kolben ausgeübte Scherbeanspruchung wandert durch die Wülste und beleuchtet eine Stelle auf einer speziell vorbereiteten Oberfläche am Boden des Zylinders. Eine Videokamera zeichnet dann während einer einstündigen Datenerfassung Bilder der Spots auf.

Adam Bushmaker begann im Sommer 2001 mit der Entwicklung der mit dem Experiment verbundenen Optik, als er am Programm "Research Experiences for Undergraduates" der National Science Foundation teilnahm. Bushmaker schloss sein Bachelor-Studium in technischer Physik an der Universität von Wisconsin, Platteville, im Jahr 2004 ab. Anschließend übernahm Corwin das Projekt, baute die endgültige Apparatur und führte die Datenanalyse mit zusätzlicher Unterstützung der NSF und des US-Energieministeriums durch.

"Eric war in der Lage, diese spezielle Kraftmesstechnik auf ein neues Niveau zu heben", sagte Jaeger.

Die statistische Analyse der Daten durch Corwin zeigt einen deutlichen Unterschied in der Art und Weise, wie Körner Kräfte übertragen, je nachdem, ob sie fließen oder klemmen.

In Glas beginnt der Fluss, wenn die Wärme auf eine bestimmte Temperatur ansteigt. In ähnlicher Weise zeigt die Chicago-Studie, dass Granulatsysteme eine sogenannte "effektive Temperatur" haben, die durch die Anwendung von Kraft anstelle von Wärme verursacht wird.

"Ein Sandhaufen bei Raumtemperatur hätte nicht genug Energie, um sich neu zu ordnen", erklärte Nagel. "Wenn Sie jedoch beispielsweise den Behälter mit dem Sand schütteln, reicht die durch die Schütteln bereitgestellte Energie aus, um die Partikel neu anzuordnen. Dieses Schütteln sollte in gewisser Weise wie eine Temperatur wirken."

Eine andere Möglichkeit, eine effektive Temperatur in Körnern zu erzeugen, besteht darin, eine Scherkraft anzuwenden, wie es die Chicagoer Wissenschaftler in ihrem Experiment taten, bei dem die Partikel gezwungen wurden, sich zu bewegen und sich ständig neu zu ordnen.

"Kann man eine 'effektive Temperatur' mit der Energie in Verbindung bringen, die durch die Scherspannungen in einem fließenden körnigen Material bereitgestellt wird, oder mit einer zufälligen Bewegung, die verursacht wird?" Fragte Nagel. "Wir haben gezeigt, dass wir es nach einem strengen Maßstab können."

Das Experiment zu entwerfen und zu einem erfolgreichen Abschluss zu bringen, erforderte unzählige Stunden zeitaufwändiger Anpassungen und Kalibrierungen. "Das Ganze mit all seinen Schwierigkeiten hat uns mehrere Jahre gekostet, aber wenn so ein schönes Ergebnis herauskommt, lohnt es sich wirklich", sagte Jaeger.

Quelle: Universität von Chicago