У кулькових ланцюжків виявили властивості полімерів

Фізики виявили, що якщо зібрати в купу велику кількість кулькових ланцюжків, то за своїми механічними властивостями ця купа буде дуже схожа на полімерний матеріал. Як і для полімерів, для системи лінійно пов'язаних кульок характерний експоненційний ріст сили тертя від кількості ланок у ланцюгу і від глибини проникнення вимірювального зонда, пишуть вчені в.

Гранульовані (або сипучі) середовища цікаві тим, що залежно від зовнішніх умов можуть поводитися абсолютно по-різному. Типовий приклад такого середовища - це пісок, який іноді може «течь», як рідина, а іноді - бути твердим, як тверді тіла. Гранульовані середовища практично не мають обмеження за масштабами: це можуть бути мікроскопічні частинки, пісок, каміння або, наприклад, що складаються з астрономічного пилу кільця Сатурна. При цьому, незважаючи на те, що незвичайні властивості гранульованих середовищ, характерні і для статичного стану середовища, і для його динаміки, дуже близькі для всіх розмірів частинок, багато з них все ще не описані теоретично.

Фізики з Бельгії, Франції та Японії під керівництвом Паскаля Даммана (Pascal Damman) з Монського університету вирішили вивчити, що відбуватиметься зі статичними властивостями гранульованих середовищ, якщо їхні окремі елементи об'єднати в лінійні ланцюжки. Вчених зацікавила стійкість структур, які утворюються з спочатку розупорядкованих лінійних елементів, такі як пташині гнізда. Оскільки механічні властивості таких систем визначаються тільки особливостями упаковки елементів і силою тертя, що виникає в точках їх контакту, то існування схожих структур дослідники припустили і для пов'язаних в ланцюжки гранульованих середовищ. Дослідження фізики провели за допомогою експерименту, в якому вимірювали сили тертя, яка виникає в зібраних у купу ланцюжків з невеликих металевих кульок.

Для визначення основних принципів, з яких визначається механіка таких середовищ, фізики провели експеримент, в якому в пластиковий циліндр засипали кулькові ланцюжки, що складаються з однакової кількості ланок (від 1 до 50 в різних експериментах) розміром 2 міліметри. Після цього всередину цієї маси ланцюжків з невеликою постійною швидкістю (від 0,1 до 1 міліметра в секунду) опускали циліндричний зонд діаметром 1,27 сантиметра. Для визначення сили тертя під час експерименту дослідники вимірювали силу опору, яка діє на зонд з боку середи, а після закінчення експерименту структуру витягали з циліндра назовні.

По-перше, виявилося, що при зануренні зонда всередину маси ланцюжків діюча на нього сила зростає експоненціально. Тобто по мірі збільшення глибини така система стає все менш гнучкою. По-друге, за аналогічним законом сила тертя зростає залежно від кількості ланок у ланцюгу (ефект від збільшення глибини виявився аналогічний ефекту від зростання квадрата кількості кульок у ланцюжку). Крім того, схожим експоненціальним чином сила тертя зростає при збільшенні щільності упаковки ланцюжків і, навпаки, падає при збільшенні розміру однієї ланки.

При цьому форма структури, яку з циліндра після закінчення експерименту витягли назовні, теж дуже сильно залежить від кількості ланок у ланцюжку. Якщо короткі ланцюжки, що складаються з двох або трьох елементів, розсипаються практично як пісок, то при збільшенні кількості ланок система прагне зберегти свою форму, трохи розсипаючись тільки по краях.

Автори роботи зазначають, що як якісні, так і кількісні спостереження аналогічні результатам, отриманим раніше для полімерів і описаним теоретично. Для полімерних матеріалів характерна подібна схильність до збільшення сили тертя при зануренні вглиб матеріалу, а також - аналогічні залежності від числа мономерів в молекулярному ланцюжку.

За словами фізиків, такі пов'язані в лінійні ланцюжки гранульовані речовини можна використовувати для розробки нових функціональних матеріалів, у текстильній промисловості та біології.

Варто зазначити, що незважаючи на те, що гранульовані матеріали повсюдно зустрічаються в природі, систематично вивчати їх почали порівняно недавно. Наприклад, минулого року вчені з Массачусетського технологічного інституту описали фізику обертання коліс у піску, пов'язавши силу тертя зі швидкістю обертання колеса, його розміром і силою тяжкості.