Hvorfor begynder lavine at glide? Og hvad sker der inde i “bunken med sne?” Hvis du stiller dig selv disse spørgsmål, er du meget tæt på et fysisk problem. Dette fænomen forekommer ikke kun på bjergtoppe og i snemasser, hvor det er temmelig ukontrolleret – det studeres også i laboratoriet på mikroskopisk niveau i materialer med en forstyrret partikelstruktur, for eksempel i briller, granulære materialer eller skum.
Partikler kan “glide” på en lignende måde som lavine, hvilket får strukturen til at miste sin stabilitet og blive deformerbar, selv uafhængigt af en ændring i temperaturen. Men hvad sker der inde i en sådan rystende struktur?
Fysiker Matthias Fuchs fra University of Konstanz og hans kolleger Florian Vogel og Philipp Baumgärtel undersøger disse forstyrrede faste stoffer. For to år siden løste de et gammelt puslespil om glasvibrationer ved at revidere en glemt teori. “Nu har vi fortsat projektet for at besvare spørgsmålet om, hvornår et ‘uregelmæssigt korthus kollapser.’ Vi vil finde ud af, når en amorf fast stof mister sin stabilitet og begynder at glide som en bunke sand, “siger Fuchs.
Baseret på “euklidiske tilfældige matrix” (ERM) -modeller afslørede forskerne reglerne bag dette tab af stabilitet og udviklede en teori til at beskrive – og forudsige – processen. De observerede effekter er relevante for produktion af materialer med forbedrede egenskaber, især for granulære systemer og skum.
Som en kasse fuld af byggesten
Forestil dig indersiden af et fast stof, dvs. dens molekylære partikelstruktur, som en kasse fuld af byggesten. Blokkene kan stables pænt i rækker, der understøtter hinanden. Det er sådan, der bestilte, at faste stoffer ser ud. Eller blokke kastes uforsigtigt i kassen, vildt blandet og med huller imellem – men stadig kilet ind i hinanden, hvilket giver dem en vis stabilitet. Dette er tilfældet i forstyrrede faste stoffer.
Hvis du ryster kassen, bevæger de pænt stablede byggesten sig ikke så meget. Blokkene er “fast på plads”, stabiliserer hinanden og vender tilbage til deres oprindelige position efter mindre vibrationer. Den rodede boks er på den anden side en anden historie. Det er et virvar af byggesten, med tomme rum mellem dem. Dette giver de enkelte blokke mere mulighed for at indtage en anden position.
Med tilstrækkelig rysten destabiliserer mere og flere af de understøttende søjler, indtil hele stakken med byggesten på et tidspunkt kollapser. Spørgsmålet er: På hvilken tærskel sker dette – og hvad sker der nøjagtigt inde i boksen?
Et kig inde i kassen
Selvfølgelig er det ikke byggesten, som Konstanz -fysikerne er interesseret i. De vil besvare spørgsmålet om, når forstyrrede faste stoffer mister deres molekylære stabilitet. For at undersøge fænomenet ryster Fuchs og hans team ikke den symbolske “boks” udefra, men genererer vibrationer inde i partikelsystemet. De sikrer også, at der ikke er nogen tyngdekraft, der kan ødelægge den ustabile struktur, og de kontrollerer den rumlige udvidelse af “stive områder.”
Hvad sker der med den molekylære struktur, når flere og flere af de stabiliserende forbindelser går i stykker? Ved hvilken tærskelværdi forekommer overgangen fra stabilitet til “glidning”? Hvor store er klyngerne af løse partikler, der ikke er knyttet til en solid struktur? Hvilke regler kan der stammer fra dette?
“Vores analyser viser, at systemets stabilitet går tabt på et punkt, hvor vibrationer med en lav frekvens tæt på nul forekommer. Det er her lydhastigheden forsvinder,” forklarer Vogel, første forfatter af artiklen offentliggjort i Fysisk gennemgang x. “Den materielle struktur er nu formbar: Når kraft påføres, returnerer partiklerne ikke længere elastisk til deres oprindelige position, men begynder at glide. I denne løse tilstand bevæger partiklerne sig i klynger af stigende størrelse.”
I øvrigt spiller temperaturændringer ingen rolle i denne proces. Så dette projekt handler ikke om opvarmning af et solidt, før det når en flydende aggregeringstilstand. Tabet af stabilitet forekommer ved en konstant temperatur og er forårsaget af en svækkelse af de stabiliserende forbindelser.
Teorien og simuleringerne af Konstanz -forskerteamene gælder for eksempel molekylære faste stoffer ved en temperatur tæt på absolut nul på -273 ° C eller bulkmaterialer såsom sand eller jord, hvor termiske udsving er ubetydelige.
Projektet fortsætter i det ydre rum: Eksperimentet Grascha (granulær lydkarakterisering) vil teste teorien på International Space Station (ISS) under nul-tyngdekraftsforhold i efteråret 2025; Det er oprettet af det tyske luftfartscenter (DLR) i Köln.