Одесские физики разгадывают тайну гранулированной материи
На кафедре общей и теоретической физики Одесского Государственного экологического университета разработан алгоритм мультимасштабного механического конструктора агрегатных состояний конденсированного вещества, благодаря которому сделан заметный шаг в развитии теории управления свойствами гранулированной материи.
Основные результаты научных разработок опубликованы в The European Physical Journal E, Доклады Национальной академии наук Украины, Ukrainian Journal of Physics
Гранулированная материя представляет собой совокупность большого количества частиц (гранул), которые могут отличаться друг от друга размерами, формой, массой, упругостью и электрическим зарядом. Расстояние между гранулами может быть, как равным их собственным размерам, так и существенно превышать их. Обычные песок, строительный щебень, керамзит, сахар, соль, крупы и другие материалы, часто встречаются в нашей повседневной жизни и в технологических процессах – все они являются примерами гранулированной материи, как, впрочем, и геоморфологические объекты и даже Вселенная.
Когда гранулированная материя находится в состоянии покоя, то ничего особенного с ней не происходит (“замки из мокрого песка” устойчивы, однако высохший песок также не рассыпается, а сохраняет форму, возникает вопрос, почему?).
Стоит только подвергнуть вибрации ёмкость, в которой находится гранулированный материал, начинаются “чудеса”. При разных значениях амплитуды вибрации, её частоты и даже формы колебаний – гранулированная материя начинает вести себя “неадекватно законам обычной физики”, а именно: проявлять при определенных условиях свойства, которыми обладают как твердые тела, так и жидкости или газы!
Работы одесских физиков способствовали установлению того, что эти эффекты не зависят от термодинамической температуры гранулированной материи, а определяются степенью упаковки самого материала.
“Чудеса” на этом не заканчиваются. Можно подобрать такие параметры вибрационного воздействия, при которых более массивные и крупные частицы вопреки законам гидростатики “всплывут” на поверхность (эффект Бразильского ореха). Таким способом можно осуществлять сегрегационную сортировку частиц гранулированного материала вопреки законам классической гидростатики.
На самом деле никаких нарушений законов физики не происходит, просто в случае гранулированных конгломераций мы имеем дело со сложной динамической системой, состоящей из множества сложно упакованных частиц, которые формируют внутренний масштаб энергии исключительно в результате сталкивания (контактов) в условиях внешнего поля и конфайнмента (ограничений).
Например, самая упрощенная аналогия гранулированного газа – это бильярдный стол с шарами. Стимулированное соударение шаров на столе порождает цепочку взаимодействий (соударений) с определенной целью – загнать шар в лунку. Представьте себе эту же ситуацию в объёме, где соударяются десятки тысяч “шаров”, которые могут иметь разные размеры, массу, форму, упругость, электрический заряд и многие прочие свойства. Рассчитать динамику такой конгломерации дискретных элементов, которая сформируется под действием внешнего возмущения – невероятно сложная задача, в особенности, если столкновения носят еще и не вполне упругий характер.
Эксперименты показали, что при воздействии поля вибрационных ускорений на гранулированную материю в последней наблюдаются эффекты некоторой “эволюции” от простых форм структуризации до разнообразных сложно и индивидуально устроенных структур (сегментов), что говорит о реализации в них состояний критической самоорганизации материи, составляющих одну из основ современных представлений о неравновесном, нелинейном устройстве Мироздания.
Заведующий кафедрой общей и теоретической физики Одесского Государственного экологического университета д.ф.-м.н., проф. О.И. Герасимов в лаборатории, где создан вибростенд по изучению свойств гранулированной материи
Увы, на сегодняшний день в мире пока не существует строгой универсальной теории гранулированных систем. Проникновение в тайны управления свойствами гранулированной материи приведёт к появлению принципиально новых эффективных технологий в разных отраслях промышленности и материаловедения: созданию новых природно анизотропных метаматериалов с управляемыми свойствами (что особенно важно для решения задач защиты окружающей среды, задач “умной” неразрушающей сортировки и детерминированной структуризации сыпучих сред в соответствии с заданными требованиями и многого другого).
Умение манипулировать свойствами таких систем как на этапе их подготовки, так и в режиме эксплуатации также важно в плане включения соответствующих технологий в грядущие киберфизические алгоритмы управления.
Исследования Одесских физиков позволили разработать адекватные методы описания статических и динамических свойств микромеханических (гранулированных) материалов, разработать теоретические модели их описания пригодные для параметризации наблюдаемых в них эффектов, а также разработать теорию неразрушающего волнового мониторинга существующих в них неоднородностей и дефектов.
Теоретические результаты получили непосредственное подтверждение в физических экспериментах с гранулированными материалами, которые были проведены в европейских исследовательских лабораториях организаций партнеров из университетов Льежа (Бельгия) и Мессины (Италия).