У некоторых повседневных материалов есть воспоминания, и теперь их можно стереть

Некоторые твердые материалы имеют память о том, как они были растянуты ранее, что влияет на то, как они будут реагировать на такого рода деформации в будущем. Новое исследование Penn State дает представление о формировании памяти в пенах и эмульсиях, распространенных в пищевых продуктах и ​​фармацевтических препаратах, и предлагает новый метод стирания этой памяти, который может определить, как материалы подготавливаются для будущего использования.

«Складка на листе бумаги служит воспоминанием о том, что он был сложен или скомкан», — сказал Натан Кейм, доцент кафедры физики Университета штата Пенсильвания, который руководил исследованием. «Многие другие материалы формируют воспоминания, когда их деформируют, нагревают или охлаждают, и вы можете не знать об этом, пока не зададите правильные вопросы. Улучшение нашего понимания того, как писать, читать и стирать воспоминания, открывает новые возможности для диагностика и программирование материалов. Мы можем узнать историю материала, проведя некоторые тесты, или стереть память материала и запрограммировать новую, чтобы подготовить ее для потребительского или промышленного использования».

Исследователи изучали память в материале, называемом неупорядоченным твердым телом, в котором частицы часто расположены беспорядочно. Например, мороженое представляет собой неупорядоченное твердое вещество, состоящее из кристаллов льда, капель жира и воздушных карманов, смешанных случайным образом. Это резко контрастирует с материалами с «кристаллической структурой», где частицы расположены строго упорядоченными рядами и столбцами. Неупорядоченные твердые вещества распространены в пищевых науках, потребительских товарах и фармацевтике и включают пены, такие как мороженое, и эмульсии, такие как майонез.

«Подготовка материалов часто включает в себя манипулирование ими таким образом, чтобы изменить расположение их молекул, пузырьков или капель, переводя их из состояния с более высокой энергией в более стабильное состояние с более низкой энергией», — сказал Кейм. «Для некоторых материалов, таких как стекло, это включает в себя тщательный нагрев материала, чтобы его молекулы отклеились и могли организовать себя более организованным образом. Но для некоторых материалов, таких как майонез, нагрев имеет разрушительные или неприятные побочные эффекты. не вариант, мы используем процесс, называемый механическим отжигом, чтобы физически деформировать материал и перевести его в более низкое энергетическое состояние».

Кейм и его коллеги ранее исследовали, как механический отжиг неупорядоченных твердых тел может позволить материалу сформировать память об этой деформации, влияя на то, как он будет реагировать на будущую деформацию. В новой статье, появившейся 5 октября в журнале Научные достиженияисследователи обеспечивают более точное понимание того, как воспоминания формируются в неупорядоченных твердых телах и как существующие воспоминания могут быть «прочитаны» и даже стерты.

«Мы деформируем наш материал путем сдвига, который включает в себя перемещение одной стороны материала относительно другой, например, стягивание угла прямоугольника в сторону, чтобы он стал параллелограммом», — сказал Кейм. «Повторяя эту деформацию с одной и той же величиной много раз, вы можете по существу вписать память о деформации, которая тонко влияет на то, как она реагирует на деформацию других величин в будущем. Мы выяснили обстоятельства, при которых эта память формируется в неупорядоченных твердых телах. и показал, как определить величину предыдущей деформации, которая была вписана».

Исследователи также демонстрируют новый метод стирания воспоминаний в неупорядоченных твердых телах.

«Некоторые правила памяти в этих материалах очень похожи на правила памяти в ферромагнетиках, то, что физики интенсивно изучают более ста лет», — сказал Кейм. «Магнит на холодильник несет в себе намагниченность, которая является своего рода памятью о магнитных полях, которые применялись на заводе. Чтобы стереть эти воспоминания, вы можете приложить сильное магнитное поле и менять его направление, постепенно ослабляя поле. С нашим новым В методе, который мы называем методом кольца вниз, мы применяем все меньшую и меньшую величину деформации до тех пор, пока память не будет удалена».

Стирание памяти может дать материаловедам возможность начать с чистого листа, а затем подготовить материал наиболее выгодным способом.

Для этого исследования исследователи смоделировали неупорядоченное твердое тело, используя 25 000 крошечных пластиковых частиц, расположенных на границе раздела воды и масла в чашке. время исследования. Частицы электростатически заряжены, отталкиваются друг от друга и могут деформироваться с помощью иглы, перемещающейся вдоль границы раздела управляемым образом. Команда использовала микроскоп для отслеживания расположения частиц в материале.

«Неупорядоченные твердые тела больше похожи, чем различаются, и микроскопические детали их структуры — будь то капли масла, пузырьки пены, зерна или частицы — похоже, не очень сильно влияют на общее поведение», — сказал Кейм. «Это позволяет нашим экспериментам дать представление о механическом отжиге и формировании памяти во многих других материалах. В будущем мы хотели бы проверить эти свойства материальной памяти в трехмерных неупорядоченных твердых телах — эквиваленте майонеза или мороженого».