Spatially heterogeneous relaxational dynamics and the evolution of recoverable strain following flow cessation of a ductile nanocolloidal glass
تجمع هذه الدراسة بين علم الريولوجيا وتشتت فوتونات الأشعة السينية الارتباطي لتكشف أن الاسترخاء الممتد للإجهاد وفقدان الانفعال القابل للاسترداد في زجاج نانوي غروي معرض للقص مدفوعان بديناميكيات تدفق عكسي حزمي غير متجانسة مكانياً، بينما يسير استرداد الانفعال اللاحق عبر حركة منتظمة تآلفية بحتة.
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
السر اللزج للتوقف
تخيل أنك تقوم بتحريك خليط كثيف ولزج مثل العسل أو معجون الأسنان. طالما أنك تستمر في تحريك الملعقة، يتدفق الخليط كأنه سائل. ولكن في اللحظة التي تتوقف فيها عن التحريك، يحدث شيء سحري وغامض: يقرر فجأة أن يتصرف كجسم صلب مرة أخرى. هذا ليس مجرد خدعة مطبخية؛ بل هو سلوك جوهري لفئة كاملة من المواد تسمى "سوائل إجهاد الخضوع". هذه هي المواد اللزجة التي تشكل كل شيء، بدءاً من الطلاء على جدرانكم وصولاً إلى معجون الأسنان في أنبوبكم وحتى الطين في المستنقع. إنها مميزة لأنها يمكن أن تكون سائلة وصلبة في آن واحد، اعتماداً على مدى قوة دفعكم لها.
لقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أنه عندما تتوقفون عن دفع هذه المواد، فإنها لا تتجمد فوراً. بدلاً من ذلك، تمر بفترة "تبريد" داخلية بطيئة حيث تسترخي وتعيد تنظيم نفسها. فكر في الأمر مثل حشد من الناس يركضون في ممر؛ عندما يتوقف الإنذار، لا يتوقفون فجأة في أماكنهم، بل يتعثرون، ويتمايلون، ويستقرون ببطء عائدين إلى خط هادئ. إن فهم كيفية حدوث هذا "الاستقرار" بدقة أمر بالغ الأهمية للمهندسين. إذا كنت تقوم بطباعة مزهرية سيراميك بتقنية ثلاثية الأبعاد، فأنت بحاجة إلى معرفة كيف سيحافظ المادة على شكلها في الثانية التي يتوقف فيها الطابع عن الحركة. وإذا كنت تقوم بحقن هلام (جل) في الجسم، فأنت بحاجة إلى معرفة مدى سرعة تصلبه. السؤال الكبير هو: ماذا يحدث داخل المادة اللزجة على المستوى المجهري خلال تلك الثواني الأولى بعد توقف التدفق؟ هل هو توقف سلس ومنتظم، أم هو فوضى عارمة من أجزاء مختلفة تتحرك بسرعات متفاوتة؟
الرقص الزجاجي العظيم
في هذه الدراسة، قرر فريق من الباحثين استراق النظر داخل "زجاج نانوي غروي" — وهو عبارة عن حساء شديد الكثافة مكون من جزيئات سيليكا معلقة في الماء — ليروا بالضبط كيف يتصرف عندما يتوقف التدفق. لم يكتفوا بمراقبة الخارج فحسب؛ بل استخدموا مزيجاً قوياً من آلة قياس الإجهاد (الريولوجيا) وكاميرا أشعة سينية فائقة السرعة (XPCS) لمراقبة رقص الجزيئات الصغيرة في الوقت الفعلي. قاموا بدفع المادة إلى انفعال بنسبة 300% (أي شدها إلى ثلاثة أضعاف حجمها الأصلي) ثم أوقفوا التدفق فجأة، وراقبوا ما حدث بعد ذلك.
ما وجدوه كان قصة لسلوكين مختلفين تماماً يحدثان في نفس الوقت. أولاً، نظروا إلى "الإجهاد"، وهو ببساض التوتر الداخلي الذي تشعر به المادة. وجدوا أنه بعد توقف التدفق، لم ينخفض الإجهاد بسرعة؛ بل تلاشى ببطء شديد، مثل تنهيدة تستمر لدقائق. وفي الوقت نفسه، قاموا بقياس "الانفعال القابل للاسترداد"، وهو جزء التمدد الذي يمكن للمادة أن ترتد إليه إذا تم تحريرها. واكتشفوا أنه مع تلاشي الإجهاد، تتلاشى أيضاً القدرة على الارتداد، وقد حدث هذان الأمران بوتيرة متطابقة تماماً. يبدو الأمر كما لو أن المادة كانت تبدل ببطء قدرتها على الارتداد مقابل شكل ممتد ودائم.
لكن المفاجأة الحقيقية جاءت عندما نظروا إلى الحركة المجهرية باستخدام كاميرا الأشعة السينية. توقعوا أن تتباطأ الجزيئات بشكل موحد، مثل حشد من الناس يسيرون جميعاً نحو التوقف في وقت واحد. بدلاً من ذلك، رأوا حركة "نطاقية" (Banded motion)، مثل طريق سريع حيث يكون أحد مساراته سريعاً والآخر بطيئاً. انقسمت المادة إلى منطقتين متمايزتين:
- المسار الأفيني (The Affine Lane): في جزء من الزجاج، تحركت الجزيئات في حركة منسقة وتمددية، تشبه تقريباً شريطاً مطاطياً يتم سحبه.
- مسار السدادة (The Plug Lane): في الجزء الآخر، تحركت المادة كـ "سدادة" صلبة (مثل سدادة فلين تنزلق في زجاجة) بينما كانت تخضع في الوقت نفسه لارتخاء بطيء ونائم، كما لو كانت الجزيئات تتمايل في مكانها فقط.
وجد الباحثون أن سرعة هذه الحركة "النطاقية" مرتبطة مباشرة بالسرعة التي تفقد بها المادة قدرتها على الارتداد. وهذا يشير إلى أن هذه الشخصية المنقسمة — حيث يتمدد بعض الأجزاء وتنزلق أجزاء أخرى — هي المحرك الرئيسي لتغير المادة من حالة تشبه السائل إلى حالة تشبه الصلب.
ومع ذلك، تتغير القصة بمجرد أن تبدأ المادة في استعادة شكلها. فعندما ترك الباحثون المادة تراقب وهي تعود لشكلها، اختفت الحركة النطاقية الفوضوية. لم تعد المادة تنقسم إلى مسارات؛ بل تحركت ككتلة واحدة، سلسة ومنتظمة. أصبحت الرقصة المجهرية بسيطة ويمكن التنبؤ بها، مطابقة تماماً لما قاسته الآلات الكبيرة.
لذا، تخلص الورقة البحثية إلى أنه عندما توقف زجاجاً متدفقاً، فإنه لا يتوقف فحسب؛ بل ينقسم إلى طريق سريع معقد ذي مسارين من الحركة، يحول ببطء "مرونته" إلى تمدد دائم. ولكن في اللحظة التي تتركه ليتعافى، فإنه ينسى الفوضى ويتحرك كوحدة واحدة سلسة وسعيدة. وهذا يعطي العلماء صورة موحدة لكيفية تذكر هذه المواد الصعبة (ثم نسيانها) للتدفق الذي شهدته للتو.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.