Pressure sensitivity in non-local flow behaviour of dense hydrogel particle suspensions
تُظهر هذه الدراسة أن الحساسية للضغط هي مكون حاسم لقواعد التدفق غير الموضعية لمعلقات جسيمات الهيدروجيل الكثيفة، حيث تكشف التجارب والمحاكاة أن عروض نطاقات القص تتفاوت بشكل كبير من عريضة إلى ضيقة اعتماداً على إجهاد الحصر، وهو سلوك تم التقاطه بنجاح بواسطة نموذج سيولة حبيبية غير موضعي حساس للضغط.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل عالماً يمكن فيه للرمل، أو السكر، أو حتى الخرز الصغير أن يتصرف ككتلة صلبة في لحظة، وكسائل متدفق في اللحظة التالية. هذا هو عالم المواد الحبيبية، وهو مجال في الفيزياء يدرس كيفية تحرك وتفاعل مجموعات من الجسيمات الصلبة الصغيرة. هذه المواد موجودة في كل مكان، من الرمال في كثبان الصحراء إلى حبيبات القهوة في الآلة، وفهم كيفية تدفقها أمر بالغ الأهمية لصناعات تتراوح من البناء إلى إنتاج الغذاء. لعقود من الزمن، عرف العلماء أنه عندما تدفع أو تسحب هذه المواد، فإنها لا تتحرك دائماً بشكل موحد؛ بل غالباً ما تركز حركتها في مسارات ضيقة وملتوية تسمى "نطاقات القص" (shear bands)، بينما يظل باقي المادة ساكناً. وكان التنبؤ بمكان تشكل هذه النطاقات بالضبط ومدى عرضها لغزاً مستمراً، خاصة وأن السلوك يبدو معتمداً على مقدار الضغط الواقع على الجسيمات. وبينما تقترح بعض النظريات أن عرض هذه المسارات المتحركة هو خاصية ثابتة للمادة نفسها، يجادل آخرون بأن الضغط الموضعي يغير كل شيء، حيث يعمل مثل قرص تحكم يوسع أو يضيق التدفق.
ولحسم هذا الجدل، لجأ فريق من الباحثين إلى نظام فريد ودقيق: معلق من كرات هلامية (جل) ناعمة مملوءة بالماء. وخلافاً لخرز الزجاج الصلب والصلب الذي يُستخدم غالباً في الدراسات السابقة، فإن جسيمات الهيدروجيل هذه لينة وتكاد تكون عديمة الاحتكاك، وتطفو في الماء حيث تتطابق كثافتها تماماً مع كثافة السائل المحيط بها. سمح هذا الإعداد للعلماء بخلق سيناريو يكون فيه الضغط الداخلي للمادة منخفضاً للغاية، مما أدى فعلياً إلى إزالة وزن الجسيمات كقوة دافعة. وضعوا هذه الكرات الهلامية الناعمة في حاوية متخصصة تُعرف باسم "خلية قص ذات قاع منقسم" (split-bottom shear cell)، وهي جهاز يقوم بتدوير قرص في الأسفل لتحريك الخليط. وباستخدام تقنية تصوير طبي قوية تُسمى التصوير بالرنين المغناطيسي، تمكنوا من النظر داخل الحاوية ومراقبة حركة الجسيمات في ثلاثة أبعاد دون إزعاجها. ثم قارنوا هذه الملاحظات الواقعية بالمحاكاة الحاسوبية ونموذج رياضي مصمم للتنبؤ بكيفية تدفق المواد الحبيبية.
كشفت النتائج عن حساسية صارخة للضغط. فعندما ترك الباحثون كرات الجل الناعمة تتدفق دون أي وزن إضافي يضغط عليها، أصبحت نطاقات القص عريضة للغاية. فبدلاً من كونها مساراً ضيقاً للحركة، بدا أن الطبقة العليا بأكملها من المادة تشارك في التدفق، حيث انتشرت على نطاق واسع عبر الحاوية. حدث هذا لأن الضغط الداخلي المنخفض سمح لـ "سيولة" المادة بالانتشار بعيداً وواسعاً. ومع ذلك، عندما طبق الفريق ضغطاً خارجياً لطيفاً، بالضغط على الجزء العلوي من الخليط بقوة تعادل بضع مئات من الباسكال فقط، تغير السلوك بشكل دراماتيكي. فقد انهار التدفق الواسع والمنتشر إلى نطاق أضيق وأكثر تحديداً، يشبه ما يُرى في الرمل الجاف الصلب. وقد أكد هذا أن الضغط الواقع على الجسيمات هو عامل حاسم في تحديد كيفية تدفقها، مما يدعم فئة معينة من النظريات التي تم اختبارها سابقاً في الغالب على الحبيبات الجافة والصلبة.
كما استكشف الباحثون كيف يؤثر سرعة التدفق على المادة. في الحركات البطيئة والمستقرة التي لاحظوها باستخدام تقنية التصوير، كان التدفق يسير بطريقة متوقعة ومستقرة لا تعتمد كثيراً على سرعة تدوير القرص. ومع ذلك، عندما دفعوا النظام للتحرك بشكل أسرع أو طبقوا مستويات أعلى من الانضغاط، تغير السلوك. ففي ظل الضغط العالي، بدأت المادة تظهر نوعاً مختلفاً من المقاومة لا يتناسب مع القواعد القياسية لتدفقات الحبيبات بطيئة الحركة. ويشك الفريق في أن هذا التغيير يعود إلى الطبيعة المرنة البطيئة لجسيمات الجل نفسها، والتي تستغرق وقتاً للاسترخاء وإعادة التشكيل بعد ضغطها، مما يضيف طبقة من التعقيد لا تستطيع النماذج البسيطة للجسيمات الصلبة استيعابها.
في نهاية المطاف، يوضح هذا العمل أن القواعد التي تحكم كيفية تدفق الجسيمات الناعمة والرطبة مرتبطة بعمق بالضغط الذي تشعر به. وتؤكد الدراسة أن النماذج الرياضية التي تأخذ في الاعتبار حساسية الضغط هذه يمكنها بنجاح التنبؤ بتدفق هذه المواد الناعمة، مما يسد الفجوة بين فيزياء الرمل الجاف والجلات الرطبة واللينة. ومن خلال إظهار أن الضغط يعمل كـ "مقبض تحكم" لعرض التدفق، توفر هذه الأبحاث صورة أوضح لكيفية نمذجة الخلطات المعقدة الموجودة في الطبيعة والصناعة. وهي تشير إلى أنه لفهم كيفية تحرك المواد الحبيبية حقاً، يجب دائماً مراعاة "اليد الخفية" للضغط التي تشكل مسار كل جسيم.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.