Ξεκλείδωμα μαρμελάδων σε υλικά υγρών:ένα θεωρητικό μοντέλο για να κατανοήσετε τον τρόπο με τον οποίο αποφεύγετε καλύτερα την μπλοκάρισμα της μαλακής ύλης
Περίληψη:
Η εμπλοκή, η ανικανότητα ενός υλικού που ρέει, είναι ένα πανταχού παρόν φαινόμενο σε συστήματα μαλακής ύλης, συμπεριλαμβανομένων των κοκκώδους υλικού, των κολλοειδών και των βιολογικών ιστών. Η κατανόηση και η πρόληψη της εμπλοκής είναι ζωτικής σημασίας για διάφορες εφαρμογές, όπως η ροή των φαρμακευτικών και καλλυντικών, η επεξεργασία των τροφίμων και ο σχεδιασμός των μαλακών ρομποτικών υλικών. Παρά την εκτεταμένη έρευνα, ένα ολοκληρωμένο θεωρητικό πλαίσιο που μπορεί να προβλέψει τις στρατηγικές παρεμπόδισης και καθοδήγησης για να αποφευχθεί εξακολουθεί να λείπει. Εδώ, αναπτύσσουμε ένα θεωρητικό μοντέλο που καταγράφει τους μικροσκοπικούς μηχανισμούς που είναι υπεύθυνοι για την εμπλοκή σε υγρά υλικά. Το μοντέλο μας αποκαλύπτει ότι η εμπλοκή εμφανίζεται όταν η μικροδομή του υλικού αναπτύσσει άκαμπτα, διασυνδεδεμένα δίκτυα που εμποδίζουν τα σωματίδια να ρέουν μεταξύ τους. Προσδιορίζουμε τις βασικές παραμέτρους που ελέγχουν τον σχηματισμό αυτών των δικτύων και αντλούμε αναλυτικές εκφράσεις για την πιθανότητα εμπλοκής ως συνάρτηση αυτών των παραμέτρων. Το μοντέλο μας παρέχει ένα ισχυρό εργαλείο για την κατανόηση και την πρόβλεψη της εμπλοκής σε ένα ευρύ φάσμα συστημάτων μαλακής ύλης και για το σχεδιασμό στρατηγικών για την αποφυγή της εμπλοκής, όπως η βελτιστοποίηση του σχήματος των σωματιδίων, ο έλεγχος των αλληλεπιδράσεων των σωματιδίων και η εφαρμογή εξωτερικών πεδίων.
Εισαγωγή:
Η παρεμπόδιση είναι ένα φαινόμενο στο οποίο ένα υγρό υλικό υφίσταται μια μετάβαση από μια ρέουσα κατάσταση σε κατάσταση στερεάς, όπου το υλικό δεν μπορεί να ρέει. Αυτή η μετάβαση συχνά συνοδεύεται από μια δραματική αύξηση του ιξώδους και της ελαστικότητας του υλικού, καθιστώντας δύσκολη ή αδύνατη τη χειρισμό ή τη διαδικασία. Η παρεμπόδιση παρατηρείται συνήθως σε ένα ευρύ φάσμα συστημάτων μαλακής ύλης, συμπεριλαμβανομένων των κοκκίων υλικών, των κολλοειδών και των βιολογικών ιστών. Η κατανόηση και η πρόληψη της εμπλοκής είναι ζωτικής σημασίας για διάφορες εφαρμογές, όπως η ροή των φαρμακευτικών και καλλυντικών, η επεξεργασία των τροφίμων και ο σχεδιασμός των μαλακών ρομποτικών υλικών.
θεωρητικό μοντέλο:
Το θεωρητικό μας μοντέλο βασίζεται στην έννοια του ελεύθερου όγκου, η οποία είναι ο διαθέσιμος χώρος για να μετακινηθούν τα σωματίδια μέσα σε ένα υλικό. Η παρεμπόδιση εμφανίζεται όταν ο ελεύθερος όγκος γίνεται πολύ μικρός για να επιτρέψει στα σωματίδια να αναδιατάξουν και να ρέουν μεταξύ τους. Υπολογίζουμε τον ελεύθερο όγκο λαμβάνοντας υπόψη τον αποκλεισμένο όγκο των σωματιδίων και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους. Δείχνουμε ότι ο ελεύθερος όγκος εξαρτάται από το σχήμα των σωματιδίων, τις αλληλεπιδράσεις σωματιδίων και τα εξωτερικά πεδία που εφαρμόζονται στο υλικό.
Πιθανότητα εμπλοκής:
Με βάση τον υπολογισμό του ελεύθερου όγκου, αντλούμε αναλυτικές εκφράσεις για την πιθανότητα παρεμπόδισης ως συνάρτηση των βασικών παραμέτρων που ελέγχουν τον σχηματισμό άκαμπτων, διασυνδεδεμένων δικτύων. Αυτές οι παράμετροι περιλαμβάνουν το κλάσμα όγκου σωματιδίων, το σχήμα των σωματιδίων, τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων και τα εξωτερικά πεδία. Το μοντέλο μας προβλέπει ότι η πιθανότητα εμπλοκής αυξάνεται με την αύξηση του κλάσματος όγκου σωματιδίων, το μη σφαιρικό σχήμα των σωματιδίων, τις ελκυστικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων και την απουσία εξωτερικών πεδίων.
Στρατηγικές για την αποφυγή εμπλοκής:
Το μοντέλο μας παρέχει πληροφορίες για το πώς να αποφύγετε την εμπλοκή σε υγρά υλικά. Με τον χειρισμό των βασικών παραμέτρων που ελέγχουν την εμπλοκή, είναι δυνατόν να σχεδιάσουμε υλικά που είναι λιγότερο πιθανό να εμπλακεί ή να αναπτύξουν στρατηγικές για την πρόληψη της εμπλοκής σε υπάρχοντα υλικά. Για παράδειγμα, μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει σωματίδια με υψηλό λόγο διαστάσεων ή να εφαρμόσει εξωτερικά πεδία για να μειώσει την πιθανότητα εμπλοκής.
Συμπέρασμα:
Συμπερασματικά, αναπτύξαμε ένα θεωρητικό μοντέλο για να κατανοήσουμε την εμπλοκή σε υγρά υλικά. Το μοντέλο μας αποκαλύπτει τους μικροσκοπικούς μηχανισμούς που είναι υπεύθυνοι για την εμπλοκή και παρέχει αναλυτικές εκφράσεις για την πιθανότητα εμπλοκής ως συνάρτηση των βασικών παραμέτρων. Αυτό το μοντέλο προσφέρει ένα ισχυρό εργαλείο για την πρόβλεψη της εμπλοκής σε ένα ευρύ φάσμα συστημάτων μαλακής ύλης και για το σχεδιασμό στρατηγικών για την αποφυγή της εμπλοκής, το οποίο έχει σημαντικές επιπτώσεις σε διάφορες εφαρμογές στη βιομηχανία και την τεχνολογία.
