Polscy naukowcy wyjaśnili, jak ciecz pod wpływem pola elektrycznego zmienia się w ciało stałe
Pod wpływem pola elektrycznego w bardzo krótkim czasie zwiększa swoją lepkość i tworzy… ciało stałe. To główna właściwość cieczy elektroreologicznej. Przez lata znalazła szereg zastosowań, ale brakowało dobrego teoretycznego wyjaśnienia tego, jak powstaje. Aż do teraz. Wszystko zmieniło się za sprawą grupy z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej.
Nasi naukowcy: doktorant mgr inż. Michał Łepek, dr hab. inż. Agata Fronczak, prof. uczelni i dr hab. inż. Piotr Fronczak, prof. uczelni efekty swoich badań opisali w pracy Combinatorial solutions to coagulation kernel for linear chains, opublikowanej w czasopiśmie Physica D: Nonlinear Phenomena.
Jak zlepiają się cząstki?
Prowadzone przez badaczy z PW prace zaowocowały rozwiązaniem teoretycznym procesu koagulacji („zlepiania się” cząstek), w którym następuje tworzenie tzw. łańcuchów liniowych, czyli grup cząstek ułożonych w łańcuchy. Najbardziej znanym przykładem takiego procesu jest koagulacja cieczy elektroreologicznej. Ze względu na swoje wyjątkowe właściwości zalicza się ją do tzw. materiałów inteligentnych (smart materials).
Przy obecności pola elektrycznego ciecz taka zostaje zatrzymana w postaci zestalonej pomiędzy elektrodami – wyjaśnia Michał Łepek. W momencie wyłączenia pola elektrycznego układ wraca do postaci ciekłej.
Ciecz elektroreologiczna została opatentowana w 1947 roku przez amerykańskiego naukowca Willisa Winslowa.
Przez lata znalazła różnorodne zastosowania inżynierskie, m.in. w hamulcach, sprzęgłach, amortyzatorach, zaworach hydraulicznych, polerowaniu ściernym i wyświetlaczach dotykowych – wylicza Michał Łepek.
Do tej pory brakowało jednak ścisłego i efektywnego opisu teoretycznego procesu koagulacji takiej cieczy.
W naszej pracy „Combinatorial solutions to coagulation kernel for linear chains” wyprowadziliśmy równania, pozwalające wyznaczyć średni rozkład wielkości tworzących się łańcuchów na dowolnym etapie procesu scalania cząstek – tłumaczy Michał Łepek. Rozwiązania te dostarczają także informacji na temat odchylenia standardowego od średniego rozkładu (jakże przydatne w pracy z rzeczywistymi danymi!). Rozwiązania teoretyczne porównaliśmy z wynikami symulacji numerycznych oraz z danymi eksperymentalnymi. Skorzystaliśmy z wyników eksperymentu, którym była agregacja cząstek polistyrenu w mieszaninie H2O i D2O, czyli wody i ciężkiej wody.
Naukowcy z Wydziału Fizyki PW otrzymali bardzo dobrą, niespotykaną do tej pory zgodność. W ten sposób, co podkreślili także recenzenci, po ponad 70 latach od wynalezienia cieczy elektroreologicznej w końcu uzyskano satysfakcjonujące rozwiązanie teoretyczne tego procesu.
Nasza praca daje konkretny opis statystyczny cząstek w dowolnym momencie koagulacji – mówi Michał Łepek. Można ten opis wykorzystać do lepszego zrozumienia dynamiki procesu i być może do polepszenia sprawności urządzeń, które korzystają z koagulacji elektroreologicznej (wspomniane wcześniej hamulce, zawory, sprzęgła…). Niewykluczone, że opis ten może się przydać szerzej w wyjaśnianiu zjawisk, zachodzących w zawiesinach nanocząsteczkowych, które mogą być elektrycznie lub magnetycznie aktywne. Nie można wykluczyć (ale to już czyste fantazjowanie), że za rok, dwa lub pięćdziesiąt ktoś odkryje proces w socjofizyce lub biologii, który zachodzi dokładnie według rozpracowanego przez nas schematu agregacji – takie rzeczy w nauce się zdarzają.
Praca naszych naukowców z Wydziału Fizyki ma także inną zaletę.
Wzory, które uzyskaliśmy, są (z naszego punktu widzenia) bardzo proste – zaznacza Michal Łepek. Nie potrzeba żadnej wiedzy z fizyki ani tym bardziej fizyki teoretycznej, żeby je zastosować. Wystarczy wziąć równania, wpisać, jaki rozmiar układu i czas nas interesują, i otrzymujemy wynik. Każdy inżynier (lub też nieinżynier) może to zrobić na swoim komputerze. Tym bardziej, że zamieściliśmy w Internecie bibliotekę programistyczną, napisaną właśnie na potrzeby tej pracy. Wszystko jest zatem podane na tacy. To nowość. Do tej pory teoretyczne studia nad koagulacją były tematem podejmowanym głównie przez wąską grupę naukowców. Liczę, że dzięki uproszczeniu wyników opisu teoretycznego, ktoś z politechniki naszej lub innej będzie w stanie ten opis wykorzystać do swojej pracy.
Nowe badania
Teraz zespół z PW chce zbadać, czy opracowany opis koagulacji elektroreologicznej można zastosować też do koagulacji magnetoreologicznej (czyli tej pod wpływem pola magnetycznego).
To byłoby szczególnie ciekawe, bo warunki dla koagulacji magnetoreologicznej dużo łatwiej otrzymać w rzeczywistym zastosowaniu – zwraca uwagę Michał Łepek. Ciecz magnetoreologiczna jest używana chociażby w amortyzatorach pojazdów armii amerykańskiej.
Komentarze (3)
helmut, 9 listopada 2020, 10:55
Zawsze z pewnym dystansem podchodzę do tego typu wyjaśnień. Teoretycy mają pewną nieznośną manierę. Gdy pojawi się coś niespotykanego i praktycznie bądź teoretycznie, niezgodnego z istniejącym naukowym status quo, teoretycy przez lata zaprzeczają. Gdy wiele doświadczeń potwierdza odkrycie bądź wynalazek, zabierają się niechętnie za opracowanie teorii. Gdy francuski krawiec skoczył z wieży Eiffela z uszytym przez siebie spadochronem, wybijając swym ciałem spory dołek, natychmiast naukowiec teoretyk podszedł z linijką i zmierzył bezdusznie głębokość dołka jako pochodną siły kinetycznej spadającego ciała. To początek długich opracowań teoretycznych, które w końcu skutkowały szkoleniami, licencjami, opłatami itp. Gdy Anglik wynalazł silnik EmDrive, naukowcy natychmiast zaprzeczyli, bo działanie jego niezgodne było z prawami Newtona. Dzisiaj już mamy całą teorię na ten temat, nie koniecznie prawdziwą, ale coś tam wyjaśniającą, choć droga do niej była wyboista. McCulloch zwrócił się do NASA o praktyczne sprawdzenie jego silnika w przestrzeni kosmicznej, która... omówiła, bo sprzecznych z nauką prawd nie będzie sprawdzać. Zwrócił się więc do Chińczyków, których umysły są bardziej otwarte, a ci potwierdzili jego działanie w przestrzeni kosmicznej. Amerykanie obudzili się z ręką w nocniku i zaczęli nerwowo badać silnik u siebie. By nie oddać pola Chińczykom stwierdzili propagandowo, że "dokonali pierwszego WIARYGODNEGO sprawdzenia silnika w przestrzeni kosmicznej". Jak się w praktyce okazało, nie było to ani pierwsze, ani bardziej wiarygodne sprawdzenie niż chińskie, bo przecież nie można było przyznać, że NASA ma skostniały system naukowy. Podobnie jest z polskimi wyjaśnieniami. Dzisiaj opracowania teoretyczne opierają się na modelach, a nie na prawdzie naukowej. Jeśli model działa, to szuka się przypadków, kiedy są od niego odstępstwa. Na podobnej zasadzie fizyka klasyczna działa w zakresie praktycznym, w naszych warunkach. Nie zamierzamy jej zmieniać, mimo że nie jest do końca prawdziwą. To przybliżony model, który przyjęliśmy, wystarczający do naszych "ziemskich" zastosowań. Poprawki wnoszone przez fizykę kwantową są dzisiaj dla nas mało istotne z praktycznego punktu widzenia, ale teorie fizyki klasycznej stały się jakby mniej systemowe i prawdziwe.
cyjanobakteria, 9 listopada 2020, 12:22
Zasadą zachowania momentu pędu, która jest jednym z fundamentów fizyki i została potwierdzona w setkach tysięcy eksperymentów przeprowadzonych na przestrzeni kilku wieków.
Koledze chodzi chyba o hipotezę.
A w Kerbalach nie mógł sprawdzić działania tego silnika?
NASA nie chciała wynieść silnika w kosmos, bo wynoszenie złomu jest drogie, a pomiary w kosmosie skomplikowane. Przetestowali za to jego działanie w laboratorium w próżni i uzyskali z tego, co pamiętam statystycznie znaczące wyniki. Nie chcą jednak wydawać dziesiątków lub setek milionów na badania urządzenia, które wymaga egzotycznej fizyki, w sytuacji kiedy wszystkie możliwe źródła błędów pomiarowych oraz alternatywne wytłumaczenia nie zostały wykluczone. Co jest zrozumiałe i nie wymaga teorii spiskowych. To nie jest tak, że wynosisz w kosmos mikrofalówkę bez drzwiczek i z łatwością mierzysz ewentualny ciąg na poziomie micro czy mili newtonów, tylko niewiele większy od ciągu świecącej latarki (photon drive).
No i co Chińczycy stwierdzili? Są dostępne jakieś opracowanie na ten temat? Swoją drogą, znając życie, to Chińczycy sami pożyczyli sobie dokumentację tego silnika
Poszperałem dokładniej w poszukiwaniu wyników pomiarów. Jeden z eksperymentów wykazał, że silnik generuje ciąg bez względu na kierunek dyszy. Okazało się, że podczas pomiarów nie udało się całkowicie ekranować pola magnetycznego Ziemi. Zmierzona siła była zgodna z siłą jaką wywiera resztkowe pola magnetyczne Ziemi na włączone urządzenie elektryczne. Ciąg generowały kable i elektronika podpięta do prądu
cyjanobakteria, 10 listopada 2020, 00:24
Na szczęście patrioci od jednostek fizycznych nie biją, ale przyjmuję Twoją argumentację Astro
Początkowo napisałem łącznie przez analogię do milimetrów, może z wyjątkiem myślnika. Poprawiłem ze względu na czytelność, żeby wyraźnie było widać nazwę jednostki i rząd wielkości. Powinienem był to zaznaczyć albo użyć myślnika.
Moderator wstawił mi dwa entery, jak sklejał posty, haha