Solide maar vloeibaar: alledaagse materialen verbergen rijke fysica
Korrelige materialen verstijven niet altijd als ze voldoende dicht samengepakt worden, hebben natuurkundigen van de Stichting FOM en de Universiteit Leiden ontdekt. Dit inzicht geeft een nieuw perspectief op het hybride gedrag van zachte materialen zoals zand, schuim en mayonaise: de manier waarop deze materialen schakelen van vloeibaar naar vast bij samenpersing werkt namelijk helemaal anders dan altijd gedacht. Verrassend is dat, zelfs als deze materialen grote weerstand bieden tegen samendrukking, zij onder bepaalde omstandigheden geen enkele weerstand bieden tegen stroming. De alledaagsheid van zand, tandpasta, scheerschuim en mayonaise doet ons soms vergeten hoe rijk hun fysica is – de vraag is nu hoe deze kennis te gebruiken om hun complexe mechanica beter te begrijpen, controleren en manipuleren. FOM-postdoc dr. Simon Dagois-Bohy en collega's publiceerden samen met werkgroepleider prof.dr. Martin van Hecke hun resultaten vorige week in het toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters, aangemerkt als 'editor's suggestion'. Tegelijkertijd verscheen er een Viewpoint commentaar in Physics over dit werk: physics.aps.org/articles/v5/97.
Het afgelopen decennium is heel veel werk verricht aan de 'jamming overgang'. Deze overgang treedt op als de deeltjes in zachte korrelige materialen dicht genoeg bij elkaar geperst worden en het materiaal stijf wordt. De allersimpelste versie van jamming treedt op als zachte elastische deeltjes zonder wrijving of aantrekking worden samengedrukt. Als deze deeltjes dicht genoeg op elkaar zitten, dan komen zij op een bepaald moment met elkaar in contact en zowel de druk als de weerstand tegen verdere samendrukking begint dan te groeien.
Jamming
Voor zogenaamde 'strikte jamming' is ook weerstand tegen schuiven nodig. De onderzoekers hebben nu gezien dat een dichtere pakking geen weerstand tegen schuiven biedt. Dicht bij het jamming punt is de kans dat het materiaal instabiel is zelfs 100%. Samendrukken is dus niet voldoende om solide te worden en de jamming overgang zit fundamenteel anders in elkaar dan gedacht.
Het percentage van pakkingen die instabiel zijn hangt af van zowel de druk als de hoeveelheid deeltjes in het systeem. Bovendien neemt het percentage uiteindelijk af naar nul als het systeem maar groot genoeg wordt gemaakt. Dergelijke finite size scaling laat zien dat de jamming overgang belangrijke kenmerken met thermodynamische faseovergangen deelt.
Referentie
Soft-Sphere Packings at Finite Pressure but Unstable to Shear, S. Dagois-Bohy, B. P. Tighe, J. Simon, S. Henkes en M. van Hecke, Phys. Rev. Lett. 109, 095703 (2012).
Informatie
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Simon Dagois-Bohy (071) 527 55 17 of Martin van Hecke (071) 527 54 82.