Новый коэффициент корреляции позволяет исследователям лучше понять поведение мягких материалов

Новый коэффициент корреляции позволяет исследователям лучше понять поведение мягких материалов

Механика, лежащая в основе разрушения структуры мягких материалов, десятилетиями ставила исследователей в тупик. В новом исследовании ученые обнаружили метрику, которая, наконец, позволяет соотнести процессы микроскопического уровня с тем, что видно на макроскопическом уровне.

По словам исследователей, новая метрика может помочь в решении различных задач материаловедения — от разработки лучших красок для 3D-печати, создания носимой гибкой электроники и датчиков, точной печати биомедицинских имплантатов до помощи в борьбе с оползнями и лавинами и даже улучшения текстуры продуктов питания и средств личной гигиены.

Команда инженеров-химиков из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн добилась многих успехов в понимании того, как мягкие материалы разрушаются или поддаются силовому воздействию. Однако связь между крупномасштабными наблюдениями команды и тем, что происходит на микромасштабном уровне, оставалась неуловимой.

В своем исследовании ученые Калифорнийского университета в сотрудничестве с группами из Аргоннской национальной лаборатории, Университета Джона Хопкинса и Университета Оттавы объясняют эту связь с помощью новой метрики, которую они назвали «коэффициент корреляции».

Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Команда использовала высокомощную технику микроскопии, называемую рео-рентгено-фотонной корреляционной спектроскопией, для изучения зависимых от потока связей между структурой и свойствами мягких материалов в режиме реального времени.

Rheo-XPCS — одна из немногих методик, позволяющих исследователям проводить рентгеновский анализ материала в процессе его деформации, одновременно измеряя его с помощью реометров — устройств, измеряющих напряжение и деформацию — непосредственно в линии с рентгеновским лучом, говорят исследователи.

«С точки зрения материаловедения, мы не могли определить, когда материал переходит из твердого состояния в жидкое на микроструктурном уровне», — сказал профессор химической и биомолекулярной инженерии из Иллинойса Саймон Роджерс, возглавлявший проект. «Rheo-XPCS в Аргоннской национальной лаборатории дает нам беспрецедентную возможность взглянуть на микромасштабное поведение мягких материалов, поддающихся напряжению».

В лаборатории команда работала с материалом под названием мягкое коллоидное стекло, которое представляет собой неупорядоченную систему наночастиц из кремнезема.

«Мы называем его мягким материалом, потому что межчастичные взаимодействия делают его как бы хлюпающим, как будто куча водяных шариков сжимается вместе, образуя материал», — говорит Гэвин Донли, первый автор исследования и бывший аспирант Иллинойса, ныне работающий в Джорджтаунском университете. «Мы использовали именно этот материал, потому что он дает сильный рентгеновский сигнал, который мы можем регистрировать, одновременно проводя макроскопические измерения».

Эта техника позволила исследователям наконец-то увидеть прямую связь между микроскопическими смещениями и макроскопическим поведением, что позволило им определить поведение с помощью математических терминов.

c75796
https://city-connect.ru