TiaSang
Thứ 4, Ngày 22 tháng 9 năm 2021
Đổi mới sáng tạo

Hiểu cách vật liệu chuyển pha giúp dự đoán nhiều vấn đề kỹ thuật phức tạp

08/09/2021 08:00 -

Nhiều năm làm thực nghiệm một cách tỉ mỉ đã giúp các nhà nghiên cứu hướng đến mục tiêu kết nối vật lý để xác định các vật liệu chuyển pha từ rắn sang lỏng. Các nhà nghiên cứu cho biết một mô hình lý thuyết có thể giúp cho họ phát triển một vật liệu tổng hợp mới, cung cấp thông tin và dự đoán được các vấn đề kỹ thuật dân sự và thách thức môi trường như trượt lở đất, vỡ đập, lở tuyết...

Lớp chất nhầy ở bên dưới chân ốc sên là một ví dụ về một dạng vật liệu mềm có khả năng chịu ứng suất đến một điểm nhất định, sau đó bị chảy ra. Hành xử này đã được các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois Urbana-Champaign đơn giản hóa trong một nghiên cứu mới. Nó cho thấy đây là là yếu tố giúp ốc sên di chuyển mà không bị trượt, tương tự như ở nhiều vật liệu tự nhiên và tổng hợp khác, từ bùn đến các chất phụ gia làm kem đánh răng. Nguồn: Rodrigo Quarteu

Nghiên cứu này do các nhà khoa học ở trường đại học Illinois Urbana-Champaign thực hiện dưới sự dẫn dắt của nhà kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử Simon Rogers. Họ phát hiện ra một biểu thức toán học hợp nhất xác định cách các vật liệu ứng suất đàn hồi chuyển pha từ trạng thái rắn sang lỏng khi chúng vượt quá ngưỡng ứng suất cụ thể của chúng.

Phát hiện được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters “Unification of the Rheological Physics of Yield Stress Fluids” 1.

“Từ lâu, hành xử của chất lỏng ứng suất đàn hồi đã được xác định bằng việc cố gắng kết hợp vật lý của hai trạng khác nhau của vật liệu và rắn và lỏng”, Krutarth Kamani, một học viên cao học kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử tại Illinois và là tác giả thứ nhất của công trình, nói. “Nhưng hiện tại thì chúng tôi đã chứng tỏ là các trạng thái vật lý này – rắn và lỏng – có thể cùng tồn tại trong cùng một vật liệu, và chúng tôi có thể giải thích bằng việc sử dụng một biểu thức toán học”.

Để phát triển mô hình này, nhóm nghiên cứu đã thực hiện vô số nghiên cứu với chủ đề là một loạt các vật liệu mềm khác nhau để cho tác dụng ứng suất trong khi đo đạc sức căng giống trạng thái lỏng và trạng thái rắn đơn lẻ phản hồi tác dụng đó bằng việc sử dụng một thiết bị gọi là máy đo lực tốc.

“Chúng tôi đã có thể quan sát hành xử của một vật liệu và thấy chuyển pha liên tục giữa các trạng thái rắn và lỏng”, Rogers, hiện làm việc tại Viện nghiên cứu KH&CN tiên tiến Beckman tại trường UofI, nói. “Các mô hình truyền thống đều miêu tả một thay đổi đột ngột trong hành xử từ pha rắn sang lỏng nhưng chúng tôi đã có thể giải quyết được hai hành xử riêng biệt phản ánh sự hao tán năng lượng qua các cơ chế rắn và lỏng”.

Nghiên cứu cho tấy sự phát triển này trao cho các nhà khoa học một mô hình đơn giản để tìm hiểu, làm cho nó dễ dàng hơn để thực hiện các tính toán ở quy mô lớn như những việc cần thiết để mô hình hóa và dự đoán các sự kiện mang tính thảm họa thiên nhiên như trượt lở đất, tuyết lở… “Các mô hình hiện có đòi hỏi các nguồn lực tính toán lớn, và các nhà nghiên cứu phải vật lộn để có được các tính toán chính xác nhất có thể”, Rogers nói. “Mô hình của chúng tôi đơn giản và chính xác hơn, và chúng tôi đã chứng tỏ điều đó thông qua những thực nghiệm mang tính ‘chứng minh khái niệm’”.

Các nhà nghiên cứu cho biết các nghiên cứu ứng suất đàn hồi phức tạp về chất lỏng là chủ đề nóng cho những nghiên cứu về các dòng chảy địa vật lý, xử lý chất thải và các quá trình chế biến trong công nghiệp như phát triển vật liệu mới, in 3D và giảm thiểu hóa các chi phí vận chuyển chất thải… “Mô hình của chúng tôi xác định được một ví dụ cơ bản của hành xử rắn sang lỏng nhưng tôi nghĩ, nó sẽ đóng vai trò như một điểm xuất phát cho các nhà nghiên cứu thực hiện một tiến trình đáng kể trong việc xác định được nhiều hiện tượng lỏng ứng suất đàn hồi phức tạp hơn”.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồnhttps://phys.org/news/2021-09-theory-materials-solids-liquids.html

https://www.thebrighterside.news/post/unified-theory-finally-explains-how-materials-transform-from-solids-to-liquids

---------------------------------------

1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.218002

Tags: