东京城市大学的科学家们一直在研究由粘性和非粘性颗粒混合制成的沙柱的强度和韧性。他们揭示了当颗粒以不同比例混合时强度变化背后的机制，以及混合物如何帮助保持柱的抗变形能力。非粘性颗粒也很容易被其他材料替代，从而设计出更坚固、更坚韧的功能性物质。
颗粒物质由大量的小颗粒组成，如沙子和粉末。这些颗粒可以相互粘在一起，产生像混凝土这样的坚固材料。但力量并不代表一切。坚固的材料很脆，变形时很容易破裂。科学驱动的材料设计不仅更强，而且更坚韧，这对材料科学家来说仍然是一个挑战。
由栗田Rei教授领导的一个来自东京城市大学的团队一直在研究沙柱的力学特性，沙柱是一种简单而强大的颗粒物质模型。他们不再关注那些相互粘在一起的砂粒，而是关注无粘性的普通砂粒和“动能”砂粒的混合物。动能砂粒是一种涂有硅油的砂粒，可以相互粘在一起。这项研究发表在《通讯物理学》杂志上。
虽然“吸引颗粒”的机制相对来说已经被很好地理解了，但对于只有一小部分颗粒具有粘性的材料来说，就不能这么说了。
当他们用不同比例的粘性颗粒制作柱子时，他们发现柱子的强度，即它们在负荷下变形的程度，呈现出典型的阶梯式变化。
当粘砂比例达到60%时，强度突然跃升到一个更高的值。更粘的沙子不会导致任何进一步的增加。
通过类似设置的计算机模拟，他们发现这正是粘性颗粒形成刚性网络并延伸到样品中的时间。这需要与仅仅通过样品连接的粘性颗粒区分开来;例如，当两端被推到一起时，粘粒线很容易变形。只有当颗粒之间有足够的连接时，粘性颗粒才能支撑一个重量。
然而，与典型的坚固材料不同，这些部分粘性柱在承受较大载荷时表现出独特的行为。当柱变形时，柱不会开裂;相反，它们改变了自己的形状:粘性颗粒之间的连接不是简单地被破坏，而是能够重新排列和重组。这使得这些柱子不仅坚固，而且坚韧。
研究小组指出，由于超过60%的粘性颗粒不会改变强度，因此其他40%的粘性颗粒可以很容易地与任何其他材料交换，例如具有抗菌特性的材料。这种反直觉的设计特点为复合材料铺平了道路，不仅更坚固，更坚固，而且功能也很好。
更多信息:Honoka Fujio等人，湿颗粒系统中的凝胶状耐久性和可变形性机制，Communications Physics(2024)。DOI: 10.1038 / s42005 - 023 - 01518 - 0
东京都大学提供
引文:坚持还是不坚持?混合砂柱阐明更好材料的设计(2024年1月29日)，2024年1月29日从https://phys.org/news/2024-01-sand-columns-illuminate-materials.html检索
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