Simulări noi leagă difuzia neobișnuită a particulelor de cedarea mecanică în materia moale blocată
Materialele moi, precum suspensiile coloidale, emulsiile, spumele și gelurile, pot rezista la deformare ca solidele, dar pot începe să curgă ca lichidele atunci când se aplică o forță externă suficient de puternică. Această tranziție de la comportament solid la comportament lichid, cunoscută drept cedare mecanică, este centrală pentru fizica materialelor amorfe moi.
Unele dintre aceste sisteme sunt atermale: particulele sunt suficient de mari încât mișcarea termică nu joacă niciun rol în dinamica lor, iar mișcarea microscopică este guvernată în principal de forțarea mecanică și de interacțiunile cu particulele vecine.
Un studiu publicat în Communications Physics stabilește o legătură între cedarea mecanică a materiei moi atermale și o formă distinctivă de dinamică microscopică: difuzia Fickiană dar non-Gaussiană (FnGD). Fenomenul, numit și difuzie browniană dar non-Gaussiană, a fost raportat pentru prima dată în 2009 și a fost identificat ulterior în diverse sisteme moleculare, precum și în materia moale termică și activă.
Cercetarea a fost realizată la Universitatea din Napoli Federico II, în cadrul proiectului național PRIN 2022 „Fickian non-Gaussian diffusion in static and dynamic environments”, condus de Raffaele Pastore. Echipa include Palak Patel, Francesco Rusciano și Francesco Greco.
Prin simulări numerice, cercetătorii au arătat că FnGD poate apărea chiar și în materia atermală blocată, precum emulsiile comprimate, suspensiile granulare și spumele, atunci când mișcarea particulelor este determinată de forfecare. Rezultatele leagă acest regim neobișnuit de transport microscopic de debutul cedării reologice în solidele moi blocate.
FnGD combină o deplasare pătratică medie care crește liniar în timp, ca în mișcarea browniană standard, cu o distribuție a deplasărilor marcat non-Gaussiană, specifică difuziei anormale. Până acum, această formă hibridă de difuzie era privită mai ales ca o semnătură a dinamicii unei singure particule.
„Întrebarea centrală este dacă FnGD este doar un detaliu microscopic al dinamicii particulelor sau dacă poate avea un impact asupra comportamentului macroscopic al unui material”, spune investigatorul principal al proiectului. „Materia moale blocată sub forfecare oferă un cadru ideal pentru a aborda această întrebare.”
Echipa a analizat mișcarea non-afină a particulelor individuale, partea stohastică rămasă după scăderea curgerii ordonate impuse de forfecare. La rate de forfecare suficient de mici, după o mișcare balistică inițială, particulele intră într-un regim în care deplasarea pătratică medie este compatibilă cu difuzia normală, în timp ce distribuția deplasărilor rămâne puternic non-Gaussiană.
Pentru a interpreta rezultatele, autorii au propus un model minimal numit Heterogeneous Persistent Random Walk. În această descriere, particulele se mișcă prin medii eterogene formate din domenii diferite, în care se deplasează aproximativ în linie dreaptă pentru un timp de persistență caracteristic, înainte de a-și schimba aleatoriu direcția. Domeniile se reînnoiesc după un timp finit din cauza forfecării aplicate.
Un rezultat cheie este că scările de timp microscopice care caracterizează FnGD sunt strâns legate de reologia macroscopică a materialului. În materia moale blocată aproape de cedare, curbele de curgere arată o decuplare aparentă între rata de forfecare și efortul de forfecare, care tinde să se satureze spre o valoare de platou, numită efort de cedare.
Autorii au arătat că o decuplare analogă apare și în dinamica microscopică: timpul caracteristic care marchează debutul regimului Fickian tinde să se satureze, în analogie cu efortul de forfecare, în timp ce timpul necesar recuperării unei distribuții gaussiene a deplasărilor continuă să crească, aproximativ invers proporțional cu rata de forfecare.
Această separare între scările de timp microscopice dă naștere FnGD și sugerează că fenomenul poate fi privit ca un corespondent microscopic al cedării mecanice. Rezultatele arată că semnături microscopice ale cedării pot fi găsite și în comportamentul unor mărimi simple ale unei singure particule, legate de difuzie.
Constatările pot ajuta la clarificarea modului în care difuzia unei singure particule, dinamica colectivă și reologia macroscopică se întrepătrund în solidele amorfe moi și indică FnGD ca un cadru util pentru studiul materialelor forfecate departe de echilibrul termic.
