چرا جامداتِ نرم، رفته‌رفته نرم‌تر می‌شوند
بسیاری از خوراکی ها مثل ماست و سس مایونز در طول زمان سفتی خودشان را از دست داده و شبه مایع می شوند. دلیل این فرسودگی ( fatigue ) در جامداتِ نرم کاملاً واضح نیست اما پژوهش های تجربی جدیدی که به واسطه ی شبیه سازی ها نیز تقویت شده اند از یک سازوکار پرده برداشته اند: کشش دائمی رشته های میکروسکوپی تشکیل دهنده ی ماده. این مطالعه که یک ژل پلاستیکی را موردجستجو قرار داده، نشان می دهد که تنش های مکرر، باعث ایجاد رشته هایی می شود که موجب طولانی تر شدن ژل شده و این «شل شدگیِ» مضاعف، ژل را ضعیف تر می سازد. این اطلاعات می تواند به جلوگیری از تجزیه ی غذاها در صنعت تولید خوارکی کمک کرده و در توسعه ی قطعات مکانیکی نرم که در برابر فرسودگی مفاومت بیشتری دارند بکار رود.
فرسودگی در جامداتِ سخت، همچون فلزات، به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است. تنش های مکرر باعث ایجاد میکروشکاف هایی شده و موجب می شود ساختار داخلی ماده تُرد شود. این شکاف ها در برخی نقاط، به یک طول بحرانی رسیده و جامد شکافته می شود. در مورد جامدات نرمِ نامنظم (مانند غذا، لوازم آرایشی و بافت های بیولوژیکی) فرسودگی چنان چشم گیر نبوده و کمتر درک شده است. این مواد معمولاً شامل شبکه ای بی نظم از رشته ها یا فیبرهای میکروسکوپیکی هستند. محققان فرض می کنند که خم شدگی های مکرر باعث می شود تا رشته ها شکسته و اتصالات شبکه و متناظر با آن، سختی ماده کاهش یابد.
با این حال، پژوهش اخیر که توسط جوریس اسپریک ( Joris Sprake ) و همکارانش در دانشگاه واگنینگن در هلند بر روی ژل ها انجام یافته، پیشنهاد می دهد که رشته های یک ژل حتی وقتی ژل ثابت است نیز تغییر می کند [۱] . این بازآرایی یا شکل پذیریِ رشته ای، نقش مهم تری را نسبت به شکستن رشته ها در فرسودگی ژل بازی می کند. برای جستجوی امکان چنان چیزی این تیم اکنون ژلی را مورد مطالعه قرار داده اند که تحت تاثیر تنش مکانیکی قرار گرفته است. ژلی که در این مورد استفاده شده با پوشش ۹۰ نانومتری از دانه های پلی استیرن با چسب حرارتی ایجاد شده است. وقتی این پوشش تا ۴۵ درجه در محلول نمک حرارت داده می شود، دانه ها در شبکه ای نامنظم از رشته های دراز، بهم می چسبند که هریک چندین دانه ضخامت دارند؛ مثل درخت مُوی با انگورها تنگ چین شده. این نوع شبکه نمایشی از دیگر جامدات نرم است.
محققان این ژل را در اتاقکی و در درون قطعه ای موسوم به رئومتر قرار داده اند که در آن یک استوانه ی داخلی با چرخش خود، تنشی برشی را بر نمونه وارد می کند. این تیم مجموعه ای از چرخه های تنشی را اعمال کرده اند؛ یک تنش (با چرخش استوانه ی داخلی) تا نقطه ی معینی و سپس با چرخش استوانه به نقطه ی شروعش، تنش را رها می سازد. در طول هر چرخه ، با اندازه گیریِ گشتاور وارد بر استوانه ی داخلی رئومتر، استرس را در ژل ثبت کرده اند. استرس با افزایش تنش تا یک مقدار بیشینه، افزایش یافته و در هر چرخه ی تنشی، این بیشینه کمتر از مقدار چرخه ی قبل بوده است؛ اخطاری که نشان دهنده ی تغییر شکل دائمی ایجاد شده توسط تنش هاست.
این تیم چرخه های تنشی دیگری را با دامنه ی بیشتر انجام داده و نتایج یکسانی را مشاهده کرده اند. آن ها همچنین مشاهده کرده اند که سفتی ژل (که از شیب نمودار استرس بر حسب تنش تعیین می شود) با انجام چرخه های بیشتر کاهش می یابد. به بیان جان مارتن وان دورن ( Jan Maarten van Doorn ) عضو و دانش آموخته ی این تیم، این نرمی را می توان اینطور توضیح داد که رشته ها طولانی تر شده و شل شدگی بیشتری حاصل شده است (مثل فنری که بیش از اندازه کشیده شود).
اگرچه این نتایج نشانه ای از شکل پذیریِ رشته هاست، اما شکستن رشته ها دلیل تضعیف ژل است. برای اثبات نقش شکل پذیری، این تیم شبیه سازی های عددی را از یک تک رشته که در معرض مجموعه ای از چرخه های تنشی قرار گرفته است را انجام داده اند. دانه های ژل در پاسخ به تنش در طول رشته حرکت کرده و باعث می شوند رشته کشیده شده و «گردنه ها»ی نازکی را تشکیل دهد. چنان چه در آزمایش ها نیز دیده شده، بزرگ ترین بازآرایی در اولین چرخه رخ داده و باعث می شود رشته برای چرخه های بعدی، ضعیف تر (کشسانی کمتر) شود. دیگرِ مشابهت ها مابین شبیه سازی ها و آزمایش ها، ادعای تیم را در مورد اینکه فرسودگی نتیجه ای از کشش رشته و شل شدگی بجای شکستن رشته است را پشتیبانی می کنند.
فیزیک دان ماده چگال آلسیو زاکون ( Alessio Zaccone ) از دانشگاه کمبریج انگلستان می گوید: «در حال حاضر موضوع فرسودگی، بحث کمتر فهمیده شده ای در فیزیک مواد است که پیامدهای زیادی در مورد طراحی مواد در ناحیه های مختلف دارد». وی می افزاید مطالعه ی گروه واگنینگن قابل توجه است چون برای اولین بار نشان می دهد که فرسودگی در ماده ی نرم با رفتار مکانیکی تک تک رشته ها قابل کنترل است. وی پیش بینی می کند که این مفهوم کمکی خواهد بود بر مدل پیشگویانه ی فرسودگی که مانع تخریب مواد غذایی می شود یا در طراحی اتصالات مکانیکی نرم می توان از آن بهره برد. به بیان زاکون این اتصالات پلاستیکی از شبکه ای از فیبرها به شکل فزاینده ای در ساخت هواپیماها استفاده می شود.
این پژوهش در مجله ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.
مرجع:
- J. M. van Doorn, J. Bronkhorst, R. Higler, T. van de Laar, and J. Sprakel, “Linking Particle Dynamics to Local Connectivity in Colloidal Gels,” Phys. Rev. Lett. ۱۱۸, ۱۸۸۰۰۱ (۲۰۱۷) .
درباره ی نویسنده:
مایکل شیربر کمک ویراستار مجله فیزیک در لیون فرانسه است.
منبع: