Uordnede materialer kan "huske" deformationer, de tidligere har oplevet - og de kan også få dem til at glemme dem. Dette er opdagelsen af forskere ved Penn State University og Cal Poly San Luis Obispo i USA, hvis eksperimenter med at slette materialehukommelser kunne forbedre designet af skum og emulsioner, der anvendes i fødevare- og medicinalindustrien.
Uordnede faste stoffer er almindelige i fødevarevidenskaben. Is, for eksempel, består af iskrystaller, fedtdråber og luftlommer kombineret på en uberegnelig måde. Emulsioner såsom mayonnaise indeholder også partikler arrangeret på en tilfældig måde, og mange kosmetik og farmaceutiske produkter deler lignende egenskaber.
Indskriver et minde om deformationen
I det seneste arbejde, forskere ledet af fysiker Nathan Keim studeret et todimensionelt uordnet materiale fremstillet ved at hælde olie oven på vand i et fad og derefter sprede et tætpakket lag af 25 mikroskopiske plastikpartikler ved grænsen mellem væskerne. Partiklerne er elektrostatisk ladede og frastøder dermed hinanden, hvilket gør, at de kan danne et blødt mayonnaise-lignende fast stof. Dette bløde faststof kan deformeres på en kontrolleret måde, og partiklernes bevægelse spores ved hjælp af et mikroskop.
"Vi deformerer vores materiale ved forskydning, hvilket involverer at flytte den ene side af materialet i forhold til den anden, som at trække hjørnet af et rektangel til siden, så det bliver et parallelogram," forklarer Keim. Denne type deformation er kendt som mekanisk udglødning, og udførelse af den sænker strukturens samlede energi. Ved at gentage denne udglødning i samme størrelse mange gange, siger Keim, "du kan i det væsentlige indskrive et minde om deformationen", der subtilt påvirker, hvordan materialet reagerer på deformation af andre størrelser i fremtiden.
Efter at forskerne havde forberedt deres materiale, udførte de eksperimenter designet til at vise, at udglødningen faktisk havde dannet et minde. "Uden at kende dens fortid, kan vi sondere en prøve for at afsløre tøjningsamplituden γa der blev brugt til at udgløde det,” forklarer de. For at gøre dette anvendte de en række cyklusser med stigende amplitude γlæse, der starter med en lille værdi og slutter med en værdi højere end γa.
Ved afslutningen af hver udlæsningscyklus sammenlignede forskerne positionerne af partiklerne med dem ved afslutningen af udglødning. Til små γlæse, den gennemsnitlige ændring i partiklernes positioner – den gennemsnitlige kvadratiske forskydning – vokser, men den falder tæt på γlæse = γa når systemets udglødede tilstand er gendannet. Denne observation og andre viser, at materialet tilnærmer en generisk adfærd kendt som "returpunkthukommelse", som ser ud til at være en egenskab ved udglødede prøver.
"Ring ned" sletter
Forskerne fandt også en ny måde at slette denne hukommelse på. For at gøre dette brugte de en metode kaldet "ring ned", der involverer at anvende forvrængninger af mindre og mindre størrelser, indtil hukommelsen er blevet fjernet. Dette minder lidt om metoden til at fjerne minder i ferromagneter, hvor et stærkt magnetfelt påføres og dets retning skiftes, mens feltet gradvist gør feltet svagere, siger Keim.
Bølger kunne erstatte drejninger i 2D-materialer
Keim håber, at nogle af de fremskridt, der er gjort i dette arbejde og anden nyere forskning, vil finde vej til applikationer. "Når et materiale er blevet deformeret cyklisk, er det muligt at genvinde en eller flere af de tidligere belastninger, det har været udsat for," siger han. Fysik verden. "Der kan være en rolle for denne type test sammen med etablerede teknikker som fejlanalyse. Der kan også være en brug for mekanisk at slette virkningerne af tidligere belastning eller til at estimere en prøves kapacitet til at danne minder."
Sletning af en hukommelse kunne give materialeforskere en måde til i det væsentlige at starte fra en ren tilstand og derefter forberede et materiale på den mest fordelagtige måde, tilføjer han.
Forskerne, der detaljerer deres arbejde i Science Forskud, siger, at deres teknik kunne bruges til at undersøge mekanisk annealing og hukommelsesdannelse i en lang række uordnede faste stoffer og andre former for glasagtigt stof. "I fremtiden vil vi gerne verificere disse egenskaber ved materialehukommelse i tredimensionelle uordnede faste stoffer - svarende til mayonnaise eller is," siger Keim.
