Tóm tắt

Nhóm nghiên cứu chung bao gồm Nakai Fumiaki (toàn thời gian), Nhà nghiên cứu được bổ nhiệm đặc biệt tại bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái học Không gian và Trái đất, Đại học Osaka, Sasaki Hayato (Khóa học tiến sĩ) Takashi, bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái Kỹ thuật Tiên tiến, Đại học bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái học Tokyo, làChúng tôi đã phát hiện lần đầu tiên trên thế giới rằng một cơ chế biến dạng độc đáo được gọi là "trượt trật khớp" xảy ra trong vật chất hạt (bột) được tạo thành từ nhiều hạt rắn

Trượt trật tự là một hiện tượng cơ bản xảy ra khi các tinh thể cấp nguyên tử nhỏ, như kim loại và chất bán dẫn biến dạng Tuy nhiên, nó chưa được làm rõ cho đến nay liệu có phải hiện tượng tương tự xảy ra trong "bột" có chứa các hạt rắn có kích thước có thể nhìn thấy như cát, bột thực phẩm và hạt thủy tinh, và điều kiện nào xảy ra và nó ảnh hưởng đến hành vi biến dạng (lưu biến) của toàn bộ vật liệu

Lần này, nhóm nghiên cứu đang sử dụng phương pháp phần tử riêng biệt^※3Dựa trên lý thuyết về các tinh thể nguyên tử, chúng tôi cố tình thiết kế một tinh thể bột đặc biệt chỉ có một khiếm khuyết tinh thể gọi là "trật khớp" (Hình 1) Kết quả của các mô phỏng trong đó tinh thể bị biến dạng bằng cách áp dụng lực,Chỉ "Trượt trật tự" xảy ra khi ma sát giữa các hạt nhỏTôi phát hiện ra rằng Hơn nữa, phiếu trật khớp này sẽ dẫn đếnToàn bộ vật liệu bị biến dạng với lực ít hơn nhiều so với trạng thái tinh thể hoàn hảo mà không có khuyết tậtNó cũng đã được tiết lộ (Hình 2)

Kết quả này là một khám phá quan trọng kết nối vật lý tinh thể cấp nguyên tử với vật lý bột, liên quan đến các hạt có kích thước có thể nhìn thấy, trên các thang đo khác nhau Trong tương lai, dự kiến ​​tính chất độc đáo của trật khớp, "chỉ biến dạng theo một hướng cụ thể với các lực cực nhỏ" sẽ được áp dụng, dẫn đến việc phát triển các vật liệu chức năng mới

Kết quả của nghiên cứu này đã được công bố trên các thư đánh giá vật lý của Tạp chí bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái học Hoa Kỳ vào lúc nửa đêm (giờ Nhật Bản) vào thứ Năm, ngày 24 tháng 7

Bối cảnh nghiên cứu

Các tinh thể như kim loại và chất bán dẫn là linh hoạt khi các khiếm khuyết bên trong gọi là "trật khớp" di chuyển liên tiếp để đáp ứng với các lực bên ngoài (trượt trật khớp), khiến chúng biến dạng thay đổi Chuyển động này thường được so sánh với sự chuyển động của một loài côn trùng nhấm nháp Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa biết liệu "trượt trật khớp" này xảy ra trong một loại bột có chứa các hạt rắn vĩ mô có thể nhìn thấy hay cách hành vi biến dạng (lưu biến) của toàn bộ vật liệu sẽ xảy ra trong trường hợp này

Hầu hết các loại bột xung quanh chúng ta đều có kích thước và căn chỉnh hạt không đồng đều, vì vậy chúng không có cấu trúc tinh thể cân bằng tốt cho phép trật khớp ở nơi đầu tiên Do đó, nghiên cứu về tinh thể bột với các cấu trúc được kiểm soát chính xác đã bị hạn chế cho đến nay Do đó, nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã phát triển giả thuyết rằng nếu chúng ta có thể tạo ra cấu trúc tinh thể của bột một cách chính xác, chúng ta có thể quan sát một kiểu biến dạng hoàn toàn mới của hệ thống bột gọi là trượt trật khớp

Nội dung nghiên cứu

Tham khảo nghiên cứu lý thuyết từ hơn nửa thế kỷ trước, nhóm nghiên cứu này đã thiết kế một "tinh thể bột" chính xác các hạt có kích thước hạt đồng nhất để chỉ có một khuyết tật tinh thể được gọi là trật khớp (Hình 1) Đây là lần đầu tiên chúng tôi xác nhận rằng khi lực được áp dụng cho tinh thể đặc biệt này, "trượt trật khớp" được thấy trong các tinh thể vi mô cũng xảy ra trong các hệ thống bột vĩ mô Thậm chí thú vị hơn, người ta thấy rằng trượt trật khớp này chỉ xảy ra khi ma sát giữa các hạt nhỏ và cũng được tiết lộ rằng nó có thể bị biến dạng với các lực nhỏ hơn vài đến hàng trăm lần so với điều kiện hoàn hảo mà không có khuyết tật (Hình 2)

Tác động của phát hiện nghiên cứu này đối với xã hội (ý nghĩa của phát hiện nghiên cứu này)

Nghiên cứu này đã phát hiện ra rằng trượt trật khớp, đã được thảo luận trong các vi tinh thể, cũng xảy ra trong các hạt rắn vĩ mô có thể nhìn thấy trực quan Đây là một bước quan trọng để áp dụng và mở ra lý thuyết về biến dạng của các vi tinh thể, trong lịch sử đã tích lũy trong lịch sử vào thế giới của Macropowder Trượt trật khớp của bột là một phong cách hoàn toàn khác với biến dạng bột đã biết trước đây (dòng chảy của các cấu trúc ngẫu nhiên và biến dạng đồng đều của các tinh thể hoàn hảo) Cụ thể, khả năng sử dụng các thuộc tính trật khớp để thiết kế các phản ứng cơ học đặc biệt như "cực kỳ yếu đối với các lực từ một hướng cụ thể" dự kiến ​​sẽ mở đường dẫn đến các ứng dụng công nghiệp, chẳng hạn như vật liệu chức năng mới

Ghi chú đặc biệt

Phát hiện nghiên cứu này sẽ được công bố trên Thư đánh giá vật lý của Tạp chí bóng đá tỷ lệ kèo nhà cái học Hoa Kỳ (trực tuyến) vào lúc nửa đêm (giờ Nhật Bản)

Tiêu đề

Trực tiếp Lướt qua các phương tiện truyền thông hạt

Tên tác giả

Fumiaki Nakai, Takashi Uneyama, Yuto Sasaki, Kiwamu Yoshii và Hiroaki Katsuragi

doi

101103/7G7S-C157

Xin lưu ý rằng nghiên cứu này đã được cấp bởi JSPS JK Funding JP24H00196, JP25K17359 và JP24KJ0156 Các tính toán số cho nghiên cứu này được thực hiện bởi Trung tâm siêu máy tính vật lý của Đại học Tokyo (2025-BA-0063)

Thuật ngữ

*1 Bột
Một tập hợp các hạt lớn hơn đáng kể so với các nguyên tử (nói chung, kích thước hạt của hàng chục micromet trở lên) Cát, bột mì, hạt thủy tinh và nhiều hơn là những ví dụ quen thuộc

*2 Trượt trật tự
Các chế độ biến dạng chính của vật liệu tinh thể như kim loại và chất bán dẫn Nó có thể được so sánh với sự chuyển động của côn trùng và sự chuyển động của độ lệch thảm Trượt trật khớp cho phép biến dạng với các lực cực nhỏ

*3 Phương pháp phần tử rời rạc
Kỹ thuật mô phỏng đặc biệt cho bột Các lực tác dụng giữa các hạt riêng lẻ (lực đẩy, lực ma sát, tiêu tán năng lượng, vv) được mô hình hóa và các phương trình chuyển động của từng hạt được giải quyết bằng cách sử dụng máy tính để tái tạo cấu trúc và chuyển động phức tạp của toàn bộ bột