Les mécanismes derrière l’effondrement de la structure des matériaux mous ont déconcerté les chercheurs pendant des décennies. Dans une nouvelle étude, les chercheurs découvrent une métrique qui corrèle enfin les processus au niveau microscopique avec ce qui est vu au niveau macroscopique.
La nouvelle métrique est sur le point d’aider à faire avancer divers défis d’ingénierie des matériaux – allant de la formulation de meilleures encres d’impression 3D, la building d’électronique et de capteurs flexibles portables, l’impression précise d’implants biomédicaux, pour aider à contrôler les glissements de terrain et les avalanches, et améliorant même les textures des aliments transformés et des produits de soins personnels, ont déclaré les chercheurs.
Une équipe d’ingénieurs chimistes de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign a fait de nombreux progrès dans la compréhension de la façon dont les matériaux mous échouent – ou cèdent – à la power. Cependant, relier les observations à as well as grande échelle de l’équipe à ce qui se passe au niveau microscopique est resté insaisissable.
Dans l’étude, des chercheurs de l’U. of I. en collaboration avec des équipes du Laboratoire countrywide d’Argonne, de l’Université Johns Hopkins et de l’Université d’Ottawa, expliquent cette relation avec une nouvelle métrique qu’ils appellent un «rapport de corrélation».
Les résultats sont publiés dans les Actes de l’Académie nationale des sciences.
L’équipe a utilisé une approach de microscopie de haute puissance – appelée spectroscopie de corrélation de photons rhéo-rayons X – pour étudier les relations framework-propriété dépendantes du flux et les matériaux mous en temps réel.
Rheo-XPCS est l’une des rares procedures qui permettent aux chercheurs d’effectuer une analyse aux rayons X d’un matériau en cours de déformation, tout en le mesurant simultanément à l’aide de rhéomètres – des appareils qui mesurent la contrainte et la déformation – directement en ligne avec un X- faisceau de rayons, ont déclaré les chercheurs.
“Du point de vue de la science des matériaux, nous n’avons pas été en mesure de distinguer quand un matériau passe d’un comportement solide à un liquide à l’échelle microstructurale”, a déclaré le professeur de génie chimique et biomoléculaire de l’Illinois, Simon Rogers, qui a dirigé le projet. “Le Rheo-XPCS du laboratoire countrywide d’Argonne nous donne un aperçu sans précédent du comportement à l’échelle microscopique des matériaux mous cédant au tension.”
En laboratoire, l’équipe a travaillé avec un matériau appelé verre colloïdal mou, qui est un système désordonné de nanoparticules de silice.
“Nous l’appelons un matériau mou parce que les interactions entre les particules le rendent en quelque sorte spongieux – comme avoir un tas de ballons d’eau poussés ensemble pour former un matériau”, a déclaré Gavin Donley, le leading auteur de l’étude et ancien étudiant diplômé de l’Illinois. maintenant à l’Université de Georgetown. “Nous avons utilisé ce matériau spécifique car or truck il fournit un signal de rayons X puissant que nous pouvons enregistrer pendant que nous effectuons des mesures macroscopiques simultanées.”
Cette procedure a permis aux chercheurs d’être enfin témoins du lien direct entre les déplacements microscopiques et le comportement macroscopique, leur permettant de définir le comportement à l’aide de termes mathématiques.
« Se pencher sur les rouages et les boulons de ce problème est un pas en avant pour que les futurs chercheurs qui souhaitent concevoir de nouveaux matériaux souples puissent le faire en ajustant divers paramètres à l’échelle microscopique pour obtenir une propriété à l’échelle macro souhaitée », a déclaré Donely. “Nous n’en sommes pas encore là, mais nous avons montré une corrélation mathématique clairement définie entre la micro- et la macro-échelle.”
Le ministère de l’Énergie, la Fondation nationale des sciences et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada ont soutenu la recherche.