Питательный метаматериал: рис

Мир науки и технологий полниться необычными изобретениями и открытиями, основанными на самых непримечательных объектах и их использовании в самых нестандартных направлениях. Картофельная батарейка тому пример. Но картофель не единственных сельскохозяйственный продукт, который оказался не на полке супермаркета, а в лаборатории материаловедов. Ученые из Бирмингемского университета (Великобритания) проводили исследование сыпучих и рыхлых материалов, в ходе которого обнаружили, что рис обладает весьма любопытными свойствами при определенных условиях. Какие эксперименты над рисом проводились, что они показали, и какое практическое значение имеют полученные данные? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Зависимость механических характеристик от скорости деформации является фундаментальной характеристикой твердых материалов, большинство из которых демонстрируют упрочнение при увеличении скорости деформации — когда напряжение возрастает с увеличением скорости деформации. Аналогично, гранулированные материалы, которые переходят из жидкого состояния в твердое при достаточном ограничивающем давлении, обычно демонстрируют упрочнение при увеличении скорости деформации. Это было экспериментально подтверждено для различных гранулированных систем, включая песок, почву, фотоупругие полимеры и кофейные зерна. В этих материалах девиаторное напряжение последовательно возрастает с увеличением скорости деформации при трехосной нагрузке.

Напротив, сообщалось, что некоторые виды гранулированных материалов, такие как снег и воздушный рис, демонстрируют разупрочнение при сжатии в условиях ограниченной деформации. Исследования показывают, что измельчение частиц может играть ключевую роль в этом поведении хрупких материалов. Кроме того, в гранулированных материалах, таких как стеклянные шарики, глинистая почва и природный грунт, наблюдалось незначительное снижение макроскопического трения с увеличением скорости сдвига. Однако это снижение относительно незначительно. Например, коэффициент трения стеклянных шариков уменьшается с 0.43 до 0.41, а глинистой почвы — с 0.14 до 0.127, даже при увеличении скорости нагружения на три порядка.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые изучили зависимость поведения гранулированного материала от скорости деформации в условиях ограниченного пространства, выявив широкий спектр реакций, включая упрочнение при увеличении скорости деформации, независимость от скорости деформации и разупрочнение при увеличении скорости деформации. Среди них ученые обнаружили необычно выраженный эффект разупрочнения при увеличении скорости деформации в частицах обычного риса — явление, редко наблюдаемое в твердых или гранулированных системах. С помощью обширных экспериментов и численного моделирования были проанализированы лежащие в основе механизмы и было показано, что это поведение в основном обусловлено резким снижением поверхностного трения с увеличением скорости нагружения. Кроме того, были исследованы методы контроля и регулирования этой зависимости от скорости деформации путем изменения свойств поверхности и ограничивающего давления.

Последние достижения в области архитектурных материалов и метаматериалов вызвали растущий интерес к использованию гранулированных материалов в функциональных приложениях. Благодаря своей реконфигурируемости, регулируемой жесткости и диссипативным характеристикам, гранулированные системы были интегрированы в механические метаматериалы для достижения адаптивных откликов, изменения формы и смягчения ударных воздействий. Например, структуры, основанные на эффекте «заклинивания», используют внешнее давление или деформацию для модуляции гранулированных конфигураций, обеспечивая обратимые переходы между мягким и жестким состояниями. Эти гранулированные метаматериалы обычно основаны на геометрических перестройках или изменениях ограничения, но мало внимания уделялось использованию присущего гранулированным частицам поведения, зависящего от скорости, — в частности, необычного смягчения скорости. Выявление и использование такого поведения может открыть новое пространство для проектирования адаптивных и программируемых механических систем, где динамическое управление свойствами материала определяется скоростью нагружения, а не внешними ограничениями.

Вдохновленные этой возможностью, ученые разработали настраиваемый гранулированный метаматериал на основе двухбалочной структуры, которая объединяет компоненты как смягчения, так и усиления деформации в зависимости от скорости деформации, стремясь проиллюстрировать функциональную значимость зависящего от скорости деформации гранулированного материала. Этот метаматериал демонстрирует динамическое переключение направления изгиба в зависимости от приложенной скорости деформации, эффективно усиливая лежащий в основе зависящий от скорости отклик. Полученные результаты показывают, что присущие гранулированному материалу свойства, зависящие от скорости деформации, могут быть использованы для проектирования настраиваемых метаматериалов, открывая новые возможности для адаптивных и программируемых механических систем.

Результаты исследования

Выраженное разупрочнение при высоких скоростях деформации в гранулированном материале на основе риса

Изображение №1

Как показано на 1A, ученые провели трехосные испытания на сжатие гранулированных материалов, заключенных в силиконовую мембрану под вакуумным давлением P_vac, при широком диапазоне скоростей деформации (ϵ). Предел текучести (σ_y) определялся пересечением протяженных упругой и пластической частей кривой напряжение-деформация. Эта точка текучести, указывающая на начало необратимой деформации в заблокированном («заклиненном») состоянии, служит мерой несущей способности образца.

Для обеспечения общности результатов ученые протестировали восемь гранулированных материалов с различными формами частиц, размерами, жесткостью и свойствами поверхности (1B). Зависимость между σ_y и ϵ для этих материалов показана на 1C, где скорость деформации варьируется от 8.33 × 10⁻⁴/с до 8.33 × 10⁻¹/с. Интенсивность зависимости от скорости (ξ) количественно определяется как отношение предела текучести при самой низкой и самой высокой скоростях деформации:

Кварцевый песок демонстрирует упрочнение при увеличении скорости деформации с ξ = 0.89. Кроме того, стальные шарики и саго показывают практически независимое от скорости поведение с ξ = 0.95 и 1.13 соответственно, тогда как стеклянные шарики демонстрируют небольшое разупрочнение при увеличении скорости деформации (ξ = 1.21). Просо (ξ = 1.58) и кофейный порошок (ξ = 1.44) демонстрируют более выраженное разупрочнение при увеличении скорости деформации. В частности, частицы риса показывают наиболее сильный эффект разупрочнения при увеличении скорости деформации с ξ = 3.27, что в несколько раз больше, чем у других материалов. Для сравнения, частицы рисовой формы, полученные методом 3D-печати смолой, имеющие одинаковую геометрию, но разные поверхностные свойства и жесткость, также демонстрируют разупрочнение при увеличении скорости деформации, но в меньшей степени (ξ = 1.45). Эта выраженная зависимость от скорости деформации приводит к значительным различиям в механическом поведении при низких и высоких скоростях деформации, как показано ниже.

Изображение №2

На 2A представлены кривые напряжение-деформация для образцов, наполненных рисом, при четырех различных скоростях нагружения. Модуль упругости, предел текучести и предельная несущая способность существенно снижаются с увеличением скорости деформации. При более низких скоростях деформации (ϵ ∼ 8.33 × 10⁻⁴−8.33 × 10⁻²) кривые демонстрируют прерывистое скольжение, характеризующееся регулярными резкими падениями напряжения. Эта нестабильность, типичная для фрикционных гранулированных материалов, возникает из-за того, что коэффициент статического трения превышает коэффициент динамического трения, что приводит к локальному скачку скорости деформации и падению напряжения, когда частицы начинают двигаться. По мере увеличения скорости деформации интенсивность скольжения уменьшается. При самой высокой скорости деформации (ϵ ∼ 8.33 × 10⁻¹) кривая становится относительно плавной, напоминая поведение гранулированных материалов без трения. Важно отметить, что падение напряжения в области прерывистого скольжения никогда не опускается ниже уровней напряжения при самой высокой скорости деформации, а ошибки выборки были исключены за счет использования более высоких скоростей сбора данных для быстрого нагружения. Результаты трехосных испытаний на сжатие гранулированных образцов, состоящих из частиц риса, при различных скоростях нагружения представлены в видео ниже.

Видео №1

Происхождение и возможность регулирования скорости размягчения гранулированных материалов

Для оценки роли поверхностного трения ученые покрыли частицы риса политетрафторэтиленом (PTFE от polytetrafluoroethylene) и повторили испытания на сжатие. На 2B показано, что частицы, покрытые PTFE, имеют значительно более гладкую поверхность, что снижает межчастичное трение. Результаты, показанные на 2C, указывают на то, что предел текучести риса, покрытого PTFE, остается практически постоянным в диапазоне скоростей деформации, в отличие от выраженного размягчения, наблюдаемого у натурального риса. Кроме того, предел текучести напечатанного риса находится между значениями предела текучести натурального и покрытого PTFE риса. Поскольку все испытания проводились с одинаковыми частицами и условиями нагружения, был сделан вывод, что поверхностное трение играет доминирующую роль в определении поведения, связанного со скоростью размягчения. Следует также отметить, что незначительное снижение предела текучести риса, покрытого PTFE, при самой высокой скорости деформации, вероятно, является результатом сочетания экспериментального разброса в практически плоском режиме и возникновения динамических эффектов на уровне частиц, которые могут временно отделить объемный отклик от изолированного поведения, доминирующего за счет трения.

Изображение №3

Для количественной оценки поверхностных свойств частиц риса и изучения возможности регулирования их поведения в зависимости от скорости деформации был разработан эксперимент по измерению коэффициента динамического трения. Как показано на вставке к 3A, частицы риса были приклеены к трем панелям, при этом к боковым панелям прикладывалась нормальная нагрузка, а средняя панель растягивалась вертикально с различной скоростью. Коэффициент динамического трения (μ) рассчитывался как:

где F_i и N_i — измеренные вертикальная и нормальная силы в момент времени t_i, а Δt_i — интервал времени между измерениями.

На 3A показано, что коэффициент трения частиц натурального риса уменьшается с 1.18 до 0.19 по мере увеличения скорости нагружения от 1 мм/мин до 1000 мм/мин. В отличие от этого, рис, покрытый PTFE, демонстрирует практически постоянный коэффициент, тогда как напечатанный рис показывает промежуточное поведение. Эти тенденции согласуются со скоростью снижения предела текучести, показанной на 2C.

Поведение трения можно анализировать с помощью закона трения, зависящего от скорости и состояния (RSF от rate and state friction), который учитывает как влияние скорости, так и время контакта с поверхностью:

где μ — коэффициент трения, v — скорость нагружения, v₀ — опорная скорость, μ₀ — коэффициент статического трения при v = v₀, а A и B — параметры материала. Термин Aln(v/v₀) описывает поведение, ослабляющее или усиливающее воздействие скорости, а Bln(ϕ/ϕ₀) учитывает зависящий от времени эффект старения контакта, где ϕ — переменная состояния, описывающая эволюцию поверхностных контактов. Переменная ϕ изменяется в соответствии с:

где D₀ — характерное расстояние скольжения, необходимое для установления нового контакта при скорости скольжения v₀. При постоянной нагрузке ϕ = D₀/v, что сводит закон RSF к:

Параметр (A—B) количественно определяет зависимость трения от скорости. Согласно 3A, ученые измерили значение (A—B) = −0.307 для натурального риса, −0.038 для напечатанного риса и 0.011 для риса с покрытием из PTFE. Большое отрицательное значение для натурального риса коррелирует с его сильным размягчением при высоких скоростях и прерывистым скольжением.

Снижение трения при более высоких скоростях нагружения ослабляет межчастичные силовые цепочки, снижая начальный модуль упругости и предел текучести. Это снижение трения смещает пороговое значение напряжения для перехода из заблокированного состояния в текучее, что приводит к размягчению под действием скорости. При низких скоростях нагружения высокое трение усиливает силовые цепочки, что приводит к более сильному заклиниванию, а также вызывает неустойчивость типа «скольжение-залипание» из-за локального разрушения силовых цепочек. Однако, поскольку трение не снижается ниже определенного предела, напряжение при низких скоростях деформации никогда не падает ниже уровня напряжения при высоких скоростях деформации. Напротив, при высоких скоростях нагружения снижение коэффициента трения создает стабильное, изостатическое состояние заклинивания без трения. Эти результаты подчеркивают трение на поверхности частиц как ключевой фактор, влияющий на механическое поведение, зависящее от скорости. Путем изменения свойств поверхности можно эффективно регулировать зависимость материала от скорости в соответствии с потребностями применения. Дополнительное явление при высоких скоростях нагружения заключается в том, что, хотя как поверхностное трение, так и предел текучести риса уменьшаются с увеличением скорости, предел текучести демонстрирует заметно более быстрое снижение. Это расхождение можно объяснить возникновением динамических эффектов на уровне частиц, таких как потеря контактов, вызванная вибрацией, и более частые столкновения, которые еще больше ослабляют сеть силовых цепей даже после насыщения трения в одиночных контактах.

Для дальнейшего изучения влияния поверхностного трения на поведение, характеризующееся разупрочнением при увеличении скорости деформации, ученые провели моделирование методом конечных элементов (FEM от finite element method) гранулированных образцов риса под сжатием и боковым давлением. В этих симуляциях эффект увеличения скорости деформации был представлен уменьшением коэффициента трения, как показано на 3B.

Результаты моделирования, при уменьшении коэффициента трения μ от 0.36 до 0.01, показывают тенденции, согласующиеся с экспериментальными результатами, где увеличение скорости деформации ϵ_от 8.33 × 10⁻⁴ до 8.33 × 10⁻¹ снижает предел текучести. Эти результаты подтверждают, что уменьшение трения при более высоких скоростях нагружения ослабляет силовые цепочки частиц, что приводит к разупрочнению при увеличении скорости деформации. Ученые также подтвердили в моделировании методом конечных элементов, что отклики оставались одинаковыми при разных скоростях нагружения, когда коэффициент трения оставался постоянным. Стоит отметить, что значения коэффициента трения, использованные в моделировании, отличаются от значений, измеренных на 3A. Это расхождение, вероятно, связано с тем, что локальная относительная скорость в точках контакта частиц не соответствует напрямую скорости приложенной нагрузки. Для более точного моделирования потребовалось бы отслеживать скорость в каждой точке контакта между частицами и учитывать нестабильность, вызванную ослаблением трения при увеличении скорости, что выходит за рамки данного исследования.

Поскольку фрикционное поведение гранулированных материалов зависит от ограничивающего давления, ученые также исследовали, как давление влияет на зависимость от скорости деформации. Были проведены трехосные испытания на сжатие образцов, заполненных рисом, при четырех ограничивающих давлениях: 60, 40, 20 и 0 кПа. Результаты, представленные на 3C, показывают, что разупрочнение при увеличении скорости деформации усиливается при более высоком ограничивающем давлении. Интенсивность зависимости от скорости деформации ξ снижается с 3.27 при 60 кПа до 2.38, 1.98 и 1.29 по мере снижения давления. Это, вероятно, связано с тем, что более высокое ограничивающее давление усиливает нормальный контакт между частицами, увеличивая силы трения и усиливая зависимость от скорости деформации. Было также проведено моделирование методом конечных элементов для подтверждения этих результатов. Используя коэффициенты трения с 3B для представления эквивалентных скоростей нагружения, моделирование на 3D показывает, что разупрочнение при увеличении скорости деформации ослабевает по мере снижения ограничивающего давления, что согласуется с экспериментальными наблюдениями. Эти результаты показывают, что зависимость характеристик образцов, наполненных рисом, от скорости деформации может быть эффективно отрегулирована путем изменения приложенного вакуумного давления.

Результаты показывают, что поведение частиц риса, проявляющееся в снижении поверхностного трения при более высоких скоростях деформации, можно регулировать путем изменения свойств поверхности и ограничивающего давления. Хотя форма частиц влияет на площадь контакта и геометрию, ее влияние на зависимость от скорости относительно ограничено. Кроме того, были проведены реометрические испытания образца риса, показавшие, что в условиях сдвига он демонстрирует аналогичное поведение, зависящее от скорости, которое можно контролировать с помощью обработки поверхности и регулирования давления. Этот вывод согласуется с результатами испытаний на сжатие. Эти данные закладывают основу для проектирования интеллектуальных структур, зависящих от скорости, с динамически регулируемыми механическими свойствами.

Настраиваемые метаматериалы на основе гранулированных материалов, зависящие от скорости деформации

Изображение №4

Вдохновленные более ранними работами по метаматериалам, чувствительным к скорости деформации и предназначенным для управления деформацией, ученые разработали двухбалочную метаматериальную структуру, которая объединяет материалы с контрастными скоростными характеристиками. Этот метаматериал позволяет программировать механическое поведение при различных скоростях нагружения, как показано выше. Две силиконовые камеры в структуре заполнены рисом (размягчение при скорости деформации) и кварцевым песком (упрочнение при скорости деформации), и обе подвергаются вакуумному давлению 60 кПа. При медленном нагружении (1 мм/мин) модуль упругости и предел текучести камеры, заполненной рисом, превышают соответствующие значения камеры, заполненной песком. Это смещает нейтральную ось в сторону риса, вызывая изгиб структуры в этом направлении, как показано на 4A1–4A3). Напротив, при быстрой нагрузке (1000 мм/мин) в камере, заполненной рисом, происходит значительное снижение модуля упругости и предела текучести, что приводит к смещению нейтральной оси в сторону песка и вызывает деформацию конструкции в противоположном направлении (4A4–4A6). Такое динамическое поведение при деформации демонстрирует возможность регулирования свойств метаматериала.

При промежуточных скоростях нагружения, например, 10 и 100 мм/мин, эффективный контраст жесткости между балками, заполненными рисом и песком, уменьшается, поэтому направленная зависимость в значительной степени исчезает, и результат изгиба становится чувствительным к небольшим дефектам и начальной упаковке, в то время как вместо глобального изгиба может преобладать локальный изгиб.

Для дальнейшего усиления динамического отклика ученые разработали двухкомпонентную метаматериальную систему, объединив две двухбалочные структуры с инвертированными конфигурациями материала (4B). При медленной нагрузке обе структуры изгибаются внутрь, соприкасаясь и образуя новую стабильную несущую структуру, что отражено на кривых зависимости силы от смещения. Для одной структуры (4C) сила отклика при низкой скорости нагрузки первоначально выше, чем при высокой. Однако, как только происходит изгиб (серая зона нестабильности на 4C), сила быстро падает до одинаковых уровней для обеих скоростей нагрузки, что приводит к потере несущей способности. В отличие от этого, двухкомпонентная система (4D) демонстрирует возобновление увеличения силы отклика при медленной нагрузке из-за контакта между двумя структурами (синяя зона усиления контакта). Этот контакт стабилизирует структуру и повышает ее несущую способность. Однако при быстрой нагрузке обе балки изгибаются наружу, препятствуя контакту и приводя к дальнейшему снижению силы отклика (зеленая зона разделения). Поведение регулируемого гранулированного метаматериала, зависящего от скорости деформации, включая как одиночную, так и двойную системы, показано в видео ниже.

Видео №2

Сравнивая кривые на рисунках 4C и 4D, ученые показали, что данная конструкция структурного метаматериала усиливает присущие гранулированным материалам свойства, зависящие от скорости нагружения. Интеграция гранулированных материалов, обладающих размягчением (рис) и упрочнением (кварцевый песок), позволяет точно контролировать механические характеристики в зависимости от скорости нагружения. Эти результаты подтверждают цель разработки настраиваемых метаматериалов, зависящих от скорости нагружения, обеспечивающих программируемые и адаптивные механические характеристики для динамического управления несущей способностью и деформацией в практических приложениях.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые изучили зависимость поведения гранулированных материалов от скорости деформации и продемонстрировали ее потенциальное применение в настраиваемых метаматериалах.

Говоря о рисе, мы в первую очередь думаем о нем, как об одном из самых распространенных продуктов питания. Однако ученые нашли ему необычное применение в ходе своих исследований.

Они обнаружили, что плотно упакованные рисовые зерна ведут себя необычным образом под давлением. При медленном сжатии зерна остаются относительно прочными. Но при быстром сжатии они, наоборот, ослабевают. Это удивительное поведение позволило ученым создать новый материал, который в будущем может быть использован в мягких роботах, автоматически регулирующих свою жесткость, и в защитном снаряжении, реагирующем по-разному в зависимости от силы удара.

Эксперименты показали, что плотно упакованные рисовые зерна реагируют совершенно по-разному в зависимости от скорости приложения нагрузки. При более высоких скоростях нагрузки материал значительно ослабевает. Это явление, известное как «скоростное размягчение», не характерно для большинства материалов. Исследователи обнаружили, что это происходит потому, что трение между отдельными рисовыми зернами резко падает при быстром приложении силы. В результате внутренние силовые сети, которые обычно поддерживают нагрузку, ослабевают.

Для создания нового материала исследователи объединили гранулированные элементы на основе риса с такими материалами, как песок, которые становятся прочнее при быстром воздействии нагрузки. В результате получился гранулированный метаматериал, способный по-разному реагировать на медленные движения и внезапные удары. В зависимости от ситуации материал может изгибаться, деформироваться или затвердевать по-разному, и все это без электроники, датчиков или активных систем управления.

Ученые отмечают, что эта работа демонстрирует, как распространенные гранулированные материалы могут быть преобразованы в инженерные системы, которые интеллектуально реагируют благодаря своим собственным механическим свойствам.

Такой метаматериал может открыть новые возможности в мягкой робототехнике. В отличие от традиционных металлических роботов, будущие системы, созданные из этих материалов, могут быть легче, безопаснее и более адаптируемыми. Такие роботы могут быть особенно полезны для работы рядом с людьми, в сложных условиях и для выполнения деликатных задач, включая помощь при хирургических операциях. Материал также может найти применение в защитном снаряжении. Поскольку он может реагировать по-разному в зависимости от скорости удара, он может поглощать энергию или деформироваться контролируемым образом во время столкновения, помогая снизить риск травм.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?