Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

De rijke fysica van tandpasta en mayonaise

Korrelige materialen als tandpasta, zand, scheerschuim en mayonaise verstijven niet altijd als ze dicht samengepakt worden, hebben onderzoekers onder leiding van de Leidse natuurkundige prof.dr. Martin van Hecke ontdekt. Zelfs als deze materialen zich verzetten tegen samendrukking, bieden zij vaak geen weerstand tegen stroming.

Dit inzicht geeft een nieuw perspectief op het hybride gedrag van een aantal zachte, alledaagse materialen: de manier waarop deze materialen schakelen van vloeibaar naar vast bij samenpersing werkt helemaal anders dan altijd gedacht. Verrassend is dat ze onder bepaalde omstandigheden geen enkele weerstand bieden tegen stroming terwijl ze tegelijkertijd wel grote weerstand laten zien tegen samendrukking. Zo tonen tandpasta, scheerschuim, zand en mayonaise hun rijke fysica. De vraag is nu hoe de nieuw verworven kennis te gebruiken om de complexe mechanica van deze materialen te begrijpen, te controleren en te manipuleren.

Publicatie in Physical Review Letters

FOM-postdoc dr. Simon Dagois-Bohy van de Universiteit Leiden en collega’s publiceerden samen met werkgroepleider prof.dr. Martin van Hecke, Leids hoogleraar op het gebied van Condensed Matter Physics hun onderzoeks resultaten vorige week in het toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters. Het artikel werd aangemerkt als editor’s suggestion. Tegelijkertijd verscheen er een Viewpoint-commentaar in Physics over dit werk.

Jamming overgang

Het afgelopen decennium is heel veel werk verricht aan de ‘jamming overgang’. Deze overgang treedt op als de deeltjes in zachte korrelige materialen dicht genoeg bij elkaar geperst worden en het materiaal stijf wordt. De allersimpelste versie van jamming treedt op als zachte elastische deeltjes zonder wrijving of aantrekking worden samengedrukt. Als deze deeltjes dicht genoeg op elkaar zitten, dan komen zij op een bepaald moment met elkaar in contact en zowel de druk als de weerstand tegen verdere samendrukking begint dan te groeien.

Strikte jamming

Voor zogenaamde ‘strikte jamming’ is ook weerstand tegen schuiven nodig. De onderzoekers hebben nu gezien dat een dichtere pakking die niet biedt: dicht bij het jamming punt is de kans zelfs 100% dat het materiaal instabiel is. Samendrukken is dus niet voldoende om solide te worden en de jamming overgang zit fundamenteel anders in elkaar dan gedacht.

Als het systeem maar groot genoeg is…

Het percentage van pakkingen die instabiel zijn hangt af van zowel de druk als de hoeveel deeltjes in het systeem. Bovendien neemt het percentage uiteindelijk af naar nul als het systeem maar groot genoeg wordt gemaakt. Dergelijke finite sizescaling laat zien dat de jamming overgang belangrijke kenmerken deelt met thermodynamische faseovergangen.

 

Door de computer gegenereerde samenpakking van deeltjes. Deze pakking biedt wel weerstand tegen verdere samendrukking, maar niet tegen schuifdeformaties.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Zie ook

 

Fundamentals of Science

Fundamentals of Science is een van de profielthema’s in het onderzoek van de Universiteit Leiden