更好地理解玻璃与液体在原子水平上的区别

芝加哥大学科学家们在6月23日出版的《自然》(Nature)杂志上报告了他们的发现。

玻璃的流动就像液体一样,但速度非常缓慢,在所有实际用途中,它在室温下呈现出固体的外观。然而,经过多年的实验,科学家仍然未能确定原子在玻璃中的排列方式是否与在液体中的不同。

现在,芝加哥大学的一组物理学家测量了颗粒粒子从静态状态转变为流动状态时所施加的力,这可能与玻璃在温度升高时变成液体时,在原子水平上发生的变化相对应。欧洲杯猜球平台这一发现没有已知的应用,但它解决了一个科学家困惑了几十年的问题。

芝加哥大学的物理教授Heinrich Jaeger说:“这是一个被推测过的问题。它是被模拟的东西,但还没有被直接测量。”杰格是《自然》杂志的合著者,同时也是物理学研究生Eric Corwin和芝加哥大学的斯坦福-弗莱勒物理学杰出教授Sidney Nagel。

Jaeger说,理论上,在特定的情况下,沙子——或者在芝加哥实验中,微小的玻璃珠——与玻璃中的原子相对应。玻璃在室温下的表现就像一种冻结的液体,而沙子和其他颗粒状材料在重力的作用下也会经历类似的冻结状态,被称为“堵塞”。欧洲杯足球竞彩

Corwin说:“即使在巨大的时间尺度上,玻璃也不会流动,真的会堵塞。”但在一定条件下,玻璃和颗粒状物质开始像液体一样流动。欧洲杯足球竞彩

芝加哥大学的科学家们现在已经测量了颗粒材料中单个粒子之间的作用力,他们认为这是他们第一次测量颗粒材料中单个粒子之间的作用力,因为它们经历了从阻塞状态到流动状态的转变。欧洲杯足球竞彩欧洲杯猜球平台芝加哥大学和其他地方的计算机模拟显示,这种转变类似于原子在熔化的玻璃中所经历的转变。

除了在计算机上,很难测量单个原子之间的力。但是,Jaeger说,Corwin对颗粒材料中这些力的测量就像放大镜一样,使他能够更容易地读取实验中流动的珠欧洲杯足球竞彩子所留下的干扰过渡。

Jaeger说:“我们实际上可以看到,当你从一个拥挤的状态变为一个不拥挤的状态时,会发生什么。”。

该实验装置包括一个装有50,000到100,000玻璃珠的圆柱体。一个由马达驱动的旋转活塞从上面压缩珠子。旋转活塞施加的剪应力穿过珠子,照亮了汽缸底部特别准备的表面上的一个点。然后,摄像机在一个小时的数据收集过程中记录下这些斑点的图像。

2001年夏天,亚当·布什梅克(Adam Bushmaker)参加了美国国家科学基金会(National Science Foundation)的本科生研究体验项目,并开始开发与实验相关的光学技术。欧洲杯线上买球布什梅克于2004年在普拉特维尔的威斯康辛大学完成了工程物理学学士学位。考文随后接手了这个项目,建造了最终的设备,并在美国国家科学基金会和美国能源部的额外支持下进行了数据分析。

“Eric能够将这种特殊的力测量技术推向一个新的水平,”Jaeger说。

Corwin对数据的统计分析表明,谷物传递力的方式明显不同,这取决于它们是流动还是堵塞。

在玻璃中,当热量上升到一定温度时,就开始流动。同样,芝加哥大学的研究表明,颗粒系统具有科学家所说的“有效温度”,这种温度是由力的作用而不是热量引起的。

纳格尔解释说:“在室温下,一堆沙子没有足够的能量重新排列。”。然而,例如,如果你用沙子摇晃容器,震动所提供的能量足以使颗粒重新排列。这种震动在某些方面应该像温度一样起作用欧洲杯猜球平台

另一种在颗粒中产生有效温度的方法是施加剪切力,正如芝加哥科学家在他们的实验中所做的那样,这迫使颗粒四处移动并不断重新排列。欧洲杯猜球平台

纳格尔问道:“人们能否将‘有效温度’与流动粒状材料中的剪切应力所提供的能量或引起的随机运动联系起来?”。“我们已经证明,根据一项严格的措施,我们可以。”

设计实验并使其成功完成需要无数个小时的时间调整和校准。“整个过程尽管经历了种种磨难,但我们花了好几年时间,但当这样一个好结果出来时,它确实是值得的,”杰格说。

http://www.uchicago.edu/

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