Переохлажденные жидкостиНесмотря на кажущуюся известность, жидкости — наименее изученное состояние материи.
Будучи промежуточными между газами и твердыми телами, их поведение представляет собой непредсказуемую смесь обоих. Особенно необычными являются стеклообразующие жидкости, которые можно охлаждать ниже точки замерзания без кристаллизации.
Такие переохлажденные жидкости становятся все более липкими (или вязкими) с понижением температуры и в конечном итоге становятся стеклообразными твердыми телами (стеклами) ниже температуры стеклования. Мы видим такое доброе поведение в процессе выдувания стекла, чтобы сделать красивую стеклянную посуду.Теперь, в статье, опубликованной в PNAS, два исследователя из Института промышленных наук Токийского университета (IIS) раскрыли новую информацию о поведении переохлажденных жидкостей, когда их заставляют течь путем «натягивания на них», также называемого «сдвигом». . "Срезанные переохлажденные жидкости
Первоначально, когда переохлажденную жидкость заставляют течь за счет сдвига («вытягивания»), ее вязкость остается неизменной, но по мере того, как жидкость заставляют течь все быстрее и быстрее, вязкость неожиданно начинает уменьшаться, и жидкости становится легче течь (т. Е. становится менее липким). Это явление называется разжижением при сдвиге и является очень важным в промышленном отношении процессом, используемым, например, когда две поверхности должны легко скользить друг относительно друга смазочными материалами.
Несмотря на десятилетия исследований и огромные усилия многих исследователей, механизм утонения при сдвиге остается неизвестным.Пользуясь ростом вычислительной мощности, исследователи IIS использовали компьютерное моделирование графических карт (GPU) для моделирования нескольких компьютерных моделей переохлажденных жидкостей, которые заставляют течь сдвигом.
Сдвиговая переохлажденная жидкость не только течет легче, но и расположение молекул изменяется с более быстрым течением (также называемое структурой жидкости). Эти факты затрудняют описание переохлажденных жидкостей с использованием фундаментальных теорий. Вместо этого исследователи IIS использовали хорошо известную в физике концепцию под названием «энтропия» для описания динамики переохлажденной жидкости со сдвигом. Энтропия — это мера того, насколько упорядочена система; кристалл имеет тенденцию быть более упорядоченным, чем жидкость, и, следовательно, иметь более низкую энтропию.
«Рассматривая расположение молекул при сдвиге, мы могли бы связать поведение переохлажденных жидкостей при сдвиге с фундаментальным понятием в физике, а именно энтропией, или, более конкретно, структурной энтропией двух тел». говорит соавтор Тронд С. Ингебригцен. «Кроме того, поскольку двухчастичная энтропия может быть легко вычислена в экспериментах, наши результаты могут быть проверены не только с помощью компьютерного моделирования. Предыдущие попытки использовать двухчастичную энтропию столкнулись с проблемами, поскольку изменение расположения молекул при сдвиге, или структурная анизотропия, не учитывались ».Поскольку жидкость заставляет течь все быстрее и быстрее под действием сдвига, расположение молекул должно адаптироваться к новой ситуации и вызывать то, что называется структурной анизотропией в жидкости. Это означает, что, например, структура, измеренная относительно направления потока, окажется другой и влияет на свойства системы в целом.
«Модифицируя энтропию двух тел, чтобы учесть эти структурные изменения, происходящие при сдвиге, мы смогли описать динамику сдвига, используя поведение жидкости без сдвига. Мы обнаружили, что энтропия двух тел, вычисленная вдоль так называемой оси расширения "потока" была ключевой величиной для описания сдвиговой динамики.
Двухчастичную энтропию в других направлениях можно было спокойно игнорировать ", — говорит Ингебригцен. «Интуитивно структура вдоль направления растяжения важна, поскольку сдвиговый поток в этом направлении открывает больше пространства, и молекулам легче ускользнуть». Компьютерное моделирование не раскрыло полного механизма истончения сдвига, но обнаружение корреляции динамики сдвига со структурной энтропией двух тел позволило по-новому взглянуть на то, как понять структурные изменения, важные для понимания явления утонения при сдвиге.«Мы были очень довольны тем, что все наши моделируемые модельные жидкости дали такие четкие результаты, поскольку они были выбраны для охвата очень широкого диапазона модельных жидкостей, особенно актуальных для экспериментов», — объясняет соавтор Хадзиме Танака. «Теперь задача состоит в том, чтобы более подробно понять микроскопический механизм, лежащий в основе этих наблюдений, чтобы полностью понять механизм истончения сдвига.
Мы остаемся очень позитивными в этом отношении».