拉伸和流动-研究揭示了众所周知的材料的不同寻常的特性

时间:2020-05-19 14:34 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

拉伸和流动-研究揭示了众所周知的材料的不同寻常的特性

牙膏、面霜、发胶、蛋黄酱和番茄酱是大多数人不会再三考虑的日常用品,但就它们的流动行为而言,它们具有不同寻常的特性。它们都是弹粘塑性(EVP)材料,在静止时表现得像固体,但在足够的压力下也会像液体一样流动。尽管它们无处不在,但对它们的行为进行建模和预测的能力依赖于一种理论,这种理论只在特定条件下有效。

来自冲绳县科学技术研究所研究生院(OIST)的微/生物/纳米流体学部门以及佩特雷大学流体力学和流变学实验室的科学家们通过结合实验和模拟揭示了关于这些材料的深刻见解。他们的研究发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,研究表明,固态材料的弹性是未来模型中应该包括的一个关键属性。

“在过去的十年里,微流体实验的进步揭示了EVP材料流动中许多意想不到的现象,”帕特雷大学的约翰·萨波普洛斯教授说。例子包括凝胶中气泡的尖头形状和流动中对称性的丧失。这些和其他的观察结果暗示着现有的理论中缺少了一些东西。我们实验室之前的研究表明,弹性,即材料微观结构在屈服前变形的能力,是拼图中缺失的部分。”

OIST小组的负责人Amy Shen教授说:“即使基本的家庭用品被放在一边,对EVP材料流动有一个基本的理解是非常有用的,特别是在生物医学和地球物理学中。”例如,她解释说,血液是一种EVP物质——它表现得像静止的固体,但在动脉中却像液体一样流动。此外,她补充说,一些3d打印的组织和支架可以具有EVP特性,并且,在地球物理学方面,火山熔岩表现得像EVP材料,尽管规模要大得多。

拉伸和流动-研究揭示了众所周知的材料的不同寻常的特性

以前对EVP材料的实验研究已经测量了它们在剪切流下的行为,当流体层相互滑动时获得。但是,当涉及到这些材料的工业加工和使用时,比如纤维纺纱和电路板印刷,通常是拉伸流——当流体被拉伸时——更重要。

“在交叉槽几何结构中,我们使用了Pluronic解决方案,这是一种著名的EVP材料,”哈沃德博士说。“当我们对两个相对的入站通道施加压力时,溶液被推向中心点,从另外两个通道流出。产生的流在中心有一个点,在那里速度趋向于零。在两个出口通道中,我们产生了拉伸流,流体被拉伸。”

与此同时,Yannis Dimakopoulos教授和帕特雷大学的研究人员创建了一个理论模型,并模拟了两种EVP材料——Pluronic溶液和另一种叫做Carbopol的材料——的流动。他们发现复杂的模式出现在流动中,包括被液态包围的凝固区域的存在。他们的发现与OIST的实验相吻合。

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该模型可以描述剪切、拉伸和混合流动中的简单EVP材料。尽管我们只专注于两种材料,但它可以广泛应用于各种不同水平的弹性、塑性、粘度和其他特性,”帕特雷大学(University of Patras)博士候选人、论文第一作者斯特利奥斯·瓦卡尼斯(Stelios Varchanis)说。“这使得该模型适合于在各种工业过程的设计和优化过程中模拟流动。”

这项研究表明,现有的理论需要彻底修改,以包括材料的弹性。Stelios说:“根据EVP材料在屈服前能够承受的变形量,它的行为要么接近现有理论的预测,要么更像一个流动的弹性-固体。”

来自OIST微/生物/纳米流体单元的Cameron Hopkins博士说:“OIST的实验对模拟进行了补充。”“虽然我们研究的Pluronic解只表现出弱的弹性效应,但在流动中观察到少量的不对称,表明偏离了纯粹的类流体行为,因此弹性不可忽视。”我们的实验为理论的修正提供了有力的支持。”

这项研究也涉及到帕特雷大学的亚历山德罗斯·斯雷科斯博士。

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