Одеські фізики розгадують таємниці гранульованої матерії
На кафедрі загальної та теоретичної фізики Одеського Державного екологічного університету розроблений алгоритм мульти масштабного механічного конструктора агрегатних станів конденсованої речовини, завдяки якому зроблено помітний крок у розвитку теорії управління властивостями гранульованої матерії.
Основні результати наукових розробок опубліковані в The European Physical Journal E, Доповіді Національної академії наук України, Ukrainian Journal of Physics
Гранульована матерія являє собою сукупність великої кількості частинок (гранул), які можуть відрізнятися одна від одної розмірами, формою, масою, пружністю та електричним зарядом. Відстань між гранулами може бути, як такою, що дорівнює їх власним розмірам, так і істотно перевищувати їх. Звичайні пісок, будівельний щебінь, керамзит, цукор, сіль, крупи та інші матеріали, що часто зустрічаються в нашому повсякденному житті та в технологічних процесах - всі вони є прикладами гранульованої матерії, як, втім і геоморфологічні об'єкти та навіть Всесвіт.
Коли гранульована матерія знаходиться в стані спокою, то нічого особливого з нею не відбувається (“замки” з мокрого піску стійкі, проте висохлий пісок також не розсипається, а зберігає форму, виникає питання, чому?).
Варто тільки піддати вібрації ємність, в якій знаходиться гранульований матеріал, починаються “чудеса”: При різних значеннях амплітуди вібрації, її частоти й навіть форми коливань - гранульована матерія починає поводитися “неадекватно законам звичайної, так би мовити, фізики”, а саме: проявляти за певних умов властивості, якими володіють, як тверді тіла, так і рідини або гази!
Роботи одеських фізиків сприяли встановленню того, що ці ефекти не залежать від термодинамічної температури гранульованої матерії, а визначаються ступенем упаковування самого матеріалу.
“Чудеса” на цьому не закінчуються. Можна підібрати такі параметри вібраційного впливу, при яких більш масивні та великі частки всупереч законам гідростатики “спливуть” на поверхню (ефект Бразильського горіха). Таким способом можна здійснювати сегрегаційне сортування частинок гранульованого матеріалу всупереч законам класичної гідростатики.
Насправді ніяких порушень законів фізики не відбувається, просто в разі гранульованих конгломерацій ми маємо справу зі складною динамічною системою, що складається з безлічі складно упакованих частинок, які формують внутрішній масштаб енергії виключно в результаті зіштовхування (контактів) в умовах зовнішнього поля і конфайнменту (обмежень).
Наприклад, сама спрощена аналогія гранульованого газу - це більярдний стіл з кулями. Стимульоване зіткнення куль на столі породжує ланцюжок взаємодій (зіткнень) з певною метою – загнати кулю в лунку. Уявіть собі цю ж ситуацію в обсязі, де ударяються десятки тисяч “куль”, які можуть мати різні розміри, масу, форму, пружність, електричний заряд і багато інших властивостей. Розрахувати динаміку такої конгломерації дискретних елементів, яка сформується під дією зовнішнього збурення - неймовірно складне завдання, особливо, якщо зіткнення носять ще й не цілком пружний характер.
Експерименти показали, що при впливі поля вібраційних прискорень на гранульовану матерію в останній спостерігаються ефекти деякої “еволюції” від простих форм структуризації до різноманітних складно та індивідуально влаштованих структур (сегментів), що говорить про реалізацію в них станів критичної самоорганізації матерії, які складають одну із основ сучасних уявлень про нерівноважну, нелінійну побудову Всесвіту.
Завідувач кафедри загальної та теоретичної фізики Одеського Державного екологічного університету д.ф.-м.н., проф. О.І. Герасимов в лабораторії, де створено вібростенд по вивченню властивостей гранульованої матерії
На жаль, нині у світі поки не існує строгої універсальної теорії гранульованих систем. Проникнення в таємниці управління властивостями гранульованої матерії призведе до появи принципово нових ефективних технологій в різних галузях промисловості та матеріалознавства: створення нових природно анізотропних метаматеріалів з керованими властивостями (що особливо важливо для вирішення завдань захисту навколишнього середовища, завдань “розумного” неруйнівного сортування і детермінованої структуризації сипучих середовищ відповідно до заданих вимог і багато чого іншого).
Уміння маніпулювати властивостями таких систем, як на етапі їх підготовки, так і в режимі експлуатації також важливо в плані включення відповідних технологій в прийдешні кіберфізичні алгоритми управління.
Дослідження Одеських фізиків дозволили створити адекватні методи опису статичних і динамічних властивостей мікромеханічних (гранульованих) матеріалів, розробити теоретичні моделі їх опису придатні для параметризації спостережуваних в них ефектів, а також розробити теорію неруйнівного хвильового моніторингу присутніх в них неоднорідностей і дефектів.
Теоретичні результати отримали безпосереднє підтвердження у фізичних експериментах з гранульованими матеріалами, які були проведені в європейських дослідницьких лабораторіях організацій партнерів з університетів Льєжа (Бельгія) і Мессіни (Італія).