微小的“桥梁”帮助粒子粘在一起

时间:2020-02-08 19:12 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

微小的“桥梁”帮助粒子粘在一起

每次下雨的时候,它都会发生在你的窗外:土壤变湿,可能会形成黏糊糊的泥浆。那么干。以后可能还会下雨。每一次润湿和再润湿都会影响土壤的结构和稳定性。例如,建筑师和工程师在设计、选址和建造建筑物时要考虑这些变化。但更广泛地说,粒子如何结合和分离的科学涉及自然灾害、作物施肥、水泥生产和制药设计等各种领域。

结合这些不同的领域,宾夕法尼亚大学的一个研究小组发现,当粒子是湿,然后允许干燥,这些粒子的大小有很大的关系,他们怎么强烈坚持—他们是否在一起或者分崩离析下次他们是湿的。

研究小组发现,当材料的颗粒悬浮在液体中,然后晾干,留下细小的颗粒链连接更大的颗粒时,就形成了薄的桥梁,从而增加了这些粘稠物质的强度。研究人员称之为“坚固桥梁”的钢绞线将聚集体的稳定性提高了10到100倍。

研究人员在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的发现。

宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的流体力学工程师Paulo Arratia是这项研究的共同作者,他说:“这种固体桥现象可能是普遍存在的,而且对于理解天然土壤的强度和侵蚀性很重要。”

“我们发现,在确定一个粒子与其他粒子的粘附强度时,它的大小可能超过其化学性质的贡献,”艺术与科学学院的地球物理学家道格拉斯·耶洛马克(Douglas Jerolmack)补充道,他也是这篇论文的通讯作者。

这个研究团队由Ali Seiphoori领导,他以前是Jerolmack实验室的博士后,现在在麻省理工学院,包括物理学博士后马晓光。目前的工作是从他们与宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院(Perelman School of Medicine)合作进行的关于石棉的调查中衍生出来的,特别是石棉的针状纤维如何与其他材料和其他材料相结合形成聚集体。这让他们更全面地思考是什么决定了一个集合的强度和稳定性。

这个小组通过建立一个简单的粒子聚集模型,用实验的方法来回答这个问题。他们将两种尺寸的玻璃球,3微米和20微米,悬浮在水滴中。(参考一下,人类的头发大约有50到100微米宽。)当水蒸发时,水滴的边缘后退,把粒子往里拖。最后,不断缩小的水滴变成了许多更小的水滴,这些水滴之间由一种叫做毛细管桥的薄水桥连接,然后再蒸发。

研究小组发现,蒸发造成的极端吸力压力将小颗粒拉得太紧,以至于它们在毛细管桥中融合在一起,在较大的颗粒之间留下坚固的桥,一旦水完全蒸发,它们也会与之结合。

当研究小组将这些粒子重新润湿,在控制的水流中加水时,他们发现仅由20微米粒子组成的聚合体比那些由更小的粒子或由更小的粒子和更大的粒子的混合物组成的聚合体更容易破碎和再悬浮。

“我们发现,如果仅仅由大于5微米的粒子组成的聚合体被再次润湿,它们就会坍塌,”Jerolmack说。“但在5微米以下,什么都没有发生,聚集体是稳定的。”

在进一步的测试中粒子的混合物的四个不同的更多的密切模仿自然土壤composition-the研究人员发现相同的桥接影响发生在不同的尺度:最大的粒子被第二大桥梁,反过来架桥的第三大,桥梁本身是稳定的最小的粒子。由于固体桥接,即使是只含有一小部分小颗粒的混合物也变得更加稳定。

要稳定多少?为了找到答案,Seiphoori不费苦心地将原子力显微镜的探针粘在单个粒子上,让它固定,然后量化从聚合体中移除该粒子所需的“拉力”。他们发现,当粒子聚集在一起时,无论是大粒子还是小粒子,当它们形成坚固的桥梁结构时,它们的拉力是其他结构的10到100倍。

为了让自己相信,除了实验用的玻璃珠外,其他材料也会如此,他们用两种常见的天然土壤组成的粘土进行了类似的实验。该原则认为:较小的粘土颗粒和坚实的桥梁的存在使聚集物稳定。反之亦然:当小于5微米的粘土颗粒从悬浮液中除去时,它们的聚集物失去了凝聚力。

“粘土被认为具有基本的粘性,”Jerolmack说,“这种粘性通常归因于它们的电荷或其他矿物属性。但我们发现了一件非常令人惊讶的事情,似乎并不是粘土的基本特性使它具有粘性,而是粘土颗粒往往非常小。这是对凝聚力的全新解释。”

这些关于颗粒大小对集料稳定性贡献的新见解为考虑如何在需要时增强诸如土壤或水泥等材料的稳定性提供了新的可能性。“你可以设想在建设项目之前通过添加更小的颗粒来帮助土壤结合在一起来稳定土壤,”Jerolmack说。

此外,从医疗设备到LED屏幕涂层等各种材料的生产都依赖于薄膜沉积,研究人员表示,他们在实验中观察到的聚集体的受控生产可能会使薄膜沉积受益。




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