بسیاری از خوراکی‌ها مثل ماست و سس مایونز در طول زمان سفتی خودشان را از دست داده و شبه‌مایع می‌شوند. دلیل این فرسودگی (fatigue) در جامداتِ نرم کاملاً واضح نیست اما پژوهش‌های تجربی جدیدی که به واسطه‌ی شبیه‌سازی‌ها نیز تقویت شده‌اند از یک سازوکار پرده برداشته‌اند: کشش دائمی رشته‌های میکروسکوپی تشکیل دهنده‌ی ماده. این مطالعه که یک ژل پلاستیکی را موردجستجو قرار داده، نشان می‌دهد که تنش‌های مکرر، باعث ایجاد رشته‌هایی می‌شود که موجب طولانی‌تر شدن ژل شده و این «شل‌شدگیِ» مضاعف، ژل را ضعیف‌تر می‌سازد. این اطلاعات می‌تواند به جلوگیری از تجزیه‌ی غذاها در صنعت تولید خوارکی کمک کرده و در توسعه‌ی قطعات مکانیکی نرم که در برابر فرسودگی مفاومت بیشتری دارند بکار رود.

فرسودگی در جامداتِ سخت، همچون فلزات، به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته‌ است. تنش‌های مکرر باعث ایجاد میکروشکاف‌هایی شده و موجب می‌شود ساختار داخلی ماده تُرد شود. این شکاف‌ها در برخی نقاط، به یک طول بحرانی رسیده و جامد شکافته می‌شود. در مورد جامدات نرمِ نامنظم (مانند غذا، لوازم آرایشی و بافت های بیولوژیکی) فرسودگی چنان چشم‌گیر نبوده و کمتر درک شده است. این مواد معمولاً شامل شبکه‌ای بی‌نظم از رشته‌ها یا فیبرهای میکروسکوپیکی هستند. محققان فرض می‌کنند که خم‌شدگی‌های مکرر باعث می‌شود تا رشته‌ها شکسته و اتصالات شبکه و متناظر با آن، سختی ماده کاهش یابد.

با این حال، پژوهش اخیر که توسط جوریس اسپریک (Joris Sprake) و همکارانش در دانشگاه واگنینگن در هلند بر روی ژل‌ها انجام یافته، پیشنهاد می‌دهد که رشته‌های یک ژل حتی وقتی ژل ثابت است نیز تغییر می‌کند[1]. این بازآرایی یا شکل‌پذیریِ رشته‌ای، نقش مهم‌تری را نسبت به شکستن رشته‌ها در فرسودگی ژل بازی می‌کند. برای جستجوی امکان چنان چیزی این تیم اکنون ژلی را مورد مطالعه قرار داده‌اند که تحت تاثیر تنش مکانیکی قرار گرفته است. ژلی که در این مورد استفاده شده با پوشش ۹۰ نانومتری از دانه‌های پلی‌استیرن با چسب حرارتی ایجاد شده است. وقتی این پوشش تا ۴۵ درجه در محلول نمک حرارت داده می‌شود، دانه‌ها در شبکه‌ای نامنظم از رشته‌های دراز، بهم می‌چسبند که هریک چندین دانه ضخامت دارند؛ مثل درخت مُوی با انگورها تنگ‌چین شده. این نوع شبکه نمایشی از دیگر جامدات نرم است.

رشته‌های کشش‌پذیر. فیبرهایی که در درون ژل وجود دارند تحت تنش، آن‌طور که از تفسیر داده‌های شبیه‌سازی دیده می‌شود، تغییر شکل می‌دهند. نواحی با رنگ روشن مناطقی هستند که ذرات در درون فیبرها حرکت کرده و باعث می‌شوند ژل، سفتی خود را از دست بدهد.

محققان این ژل را در اتاقکی و در درون قطعه‌ای موسوم به رئومتر قرار داده‌اند که در آن یک استوانه‌ی داخلی با چرخش خود، تنشی برشی را بر نمونه وارد می‌کند. این تیم مجموعه‌ای از چرخه‌های تنشی را اعمال کرده‌اند؛ یک تنش (با چرخش استوانه‌ی داخلی) تا نقطه‌ی معینی و سپس با چرخش استوانه به نقطه‌ی شروعش، تنش را رها می‌سازد. در طول هر چرخه‌، با اندازه‌گیریِ گشتاور وارد بر استوانه‌ی داخلی رئومتر، استرس را در ژل ثبت کرده‌اند. استرس با افزایش تنش تا یک مقدار بیشینه، افزایش یافته و در هر چرخه‌ی تنشی، این بیشینه کمتر از مقدار چرخه‌ی قبل بوده است؛ اخطاری که نشان‌دهنده‌ی تغییر شکل دائمی ایجاد شده توسط تنش‌هاست.

این تیم چرخه‌های تنشی دیگری را با دامنه‌ی بیشتر انجام داده و نتایج یکسانی را مشاهده کرده‌اند. آن‌ها همچنین مشاهده کرده‌اند که سفتی ژل (که از شیب نمودار استرس بر حسب تنش تعیین می‌شود) با انجام چرخه‌های بیشتر کاهش می‌یابد. به بیان جان مارتن وان دورن (Jan Maarten van Doorn) عضو و دانش‌آموخته‌ی این تیم، این نرمی را می‌توان اینطور توضیح داد که رشته‌ها طولانی‌تر شده و شل‌شدگی بیشتری حاصل شده است (مثل فنری که بیش از اندازه کشیده شود).

اگرچه این نتایج نشانه‌ای از شکل‌پذیریِ رشته‌هاست، اما شکستن رشته‌ها دلیل تضعیف ژل است. برای اثبات نقش شکل‌پذیری، این تیم شبیه‌سازی‌های عددی را از یک تک‌رشته که در معرض مجموعه‌ای از چرخه‌های تنشی قرار گرفته است را انجام داده‌اند. دانه‌های ژل در پاسخ به تنش در طول رشته حرکت کرده و باعث می‌شوند رشته کشیده شده و «گردنه‌ها»ی نازکی را تشکیل دهد. چنان‌چه در آزمایش‌ها نیز دیده شده، بزرگ‌ترین بازآرایی در اولین چرخه رخ داده و باعث می‌شود رشته برای چرخه‌های بعدی، ضعیف‌تر (کشسانی کمتر) شود. دیگرِ مشابهت‌ها مابین شبیه‌سازی‌ها و آزمایش‌ها، ادعای تیم را در مورد اینکه فرسودگی نتیجه‌ای از کشش رشته و شل‌شدگی بجای شکستن رشته است را پشتیبانی می‌کنند.

فیزیک‌دان ماده چگال آلسیو زاکون (Alessio Zaccone) از دانشگاه کمبریج انگلستان می‌گوید: «در حال حاضر موضوع فرسودگی، بحث کمتر فهمیده‌ شده‌ای در فیزیک مواد است که پیامدهای زیادی در مورد طراحی مواد در ناحیه‌های مختلف دارد». وی می‌افزاید مطالعه‌ی گروه واگنینگن قابل‌توجه است چون برای اولین بار نشان می‌دهد که فرسودگی در ماده‌ی نرم با رفتار مکانیکی تک‌تک رشته‌ها قابل کنترل است. وی پیش بینی می‌کند که این مفهوم کمکی خواهد بود بر مدل پیشگویانه‌ی فرسودگی که مانع تخریب مواد غذایی می‌شود یا در طراحی اتصالات مکانیکی نرم می‌توان از آن بهره برد. به بیان زاکون این اتصالات پلاستیکی از شبکه‌ای از فیبرها به شکل فزاینده‌ای در ساخت هواپیماها استفاده می‌شود.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.

مرجع:

1. J. M. van Doorn, J. Bronkhorst, R. Higler, T. van de Laar, and J. Sprakel, “Linking Particle Dynamics to Local Connectivity in Colloidal Gels,” Phys. Rev. Lett. 118, 188001 (2017).

‌

درباره‌ی نویسنده:

مایکل شیربر کمک‌ویراستار مجله فیزیک در لیون فرانسه است.

منبع:

Why Soft Solids Get Softer