Simulatie verklaart waarom zacht materiaal plotseling gaat vloeien

Tandpasta, mayonaise en scheerschuim gedragen zich raar: ze houden hun vorm tot je er hard genoeg aan trekt of in knijpt, en dan gaan ze ineens vloeien als een vloeistof. Dat omslagpunt heet in de natuurkunde yielding, en het is cruciaal voor talloze industriële en biologische processen. Een team van de Universiteit van Napels Federico II heeft nu met simulaties blootgelegd welk microscopisch mechanisme achter dit gedrag schuilgaat.

Een vreemde vorm van diffusie

De onderzoekers, onder leiding van Raffaele Pastore, bestudeerden zogeheten athermische materialen: opeengepakte deeltjes zoals samengedrukte emulsies, korrelsuspensies en schuim, die te groot zijn om door warmtebeweging aangedreven te worden. Hun gedrag wordt bepaald door mechanische krachten en botsingen met buurdeeltjes, aangejaagd door afschuiving van buitenaf.

Met numerieke simulaties ontdekte het team dat de deeltjes in zulke materialen een bijzondere combinatie van beweging vertonen: hun gemiddelde verplaatsing groeit lineair met de tijd, zoals bij gewone Brownse beweging, maar de verdeling van die verplaatsingen wijkt sterk af van het normale patroon. Dit verschijnsel heet Fickian yet non-Gaussian diffusion (FnGD) en was tot nu toe vooral bekend van moleculen in warme, actieve systemen. Dat het ook opduikt in koude, door afschuiving gedreven materie was nog niet aangetoond.

Van microscopische klok naar macroscopisch bezwijken

Om de waarnemingen te verklaren, ontwikkelden de onderzoekers een model dat ze de Heterogene Persistente Random Walk noemen. Daarin bewegen deeltjes een tijdlang vrijwel rechtdoor door een bepaald gebied, voordat ze willekeurig van richting veranderen. Verschillende gebieden in het materiaal hebben elk hun eigen typische tijdsduur, en die gebieden vernieuwen zichzelf voortdurend doordat de afschuiving het materiaal blijft herschikken.

De kern van de ontdekking zit in de timing. Vlak bij het yieldpunt vertoont de mechanische respons van het materiaal een bekend fenomeen: de weerstand tegen vervorming (de zogeheten yield stress) bereikt een plateau en wordt bijna onafhankelijk van hoe hard je het materiaal belast. De onderzoekers laten zien dat exact hetzelfde gebeurt op microscopisch niveau: de tijd waarop de normale diffusie begint, bereikt ook een plateau, terwijl de tijd die nodig is om weer een normale verdeling van verplaatsingen te krijgen juist blijft groeien. Dat uiteenlopen van twee tijdschalen is precies wat FnGD veroorzaakt, en het gedraagt zich als een microscopische spiegel van het mechanische omslagpunt.

Betekenis voor materiaalonderzoek

Yielding werd tot nu toe vooral toegeschreven aan collectieve, lawine-achtige herschikkingen van groepen deeltjes. Deze studie toont aan dat ook het gedrag van individuele deeltjes al signalen van het naderende omslagpunt bevat. Dat kan helpen om beter te begrijpen hoe microscopische beweging, groepsgedrag en macroscopische materiaaleigenschappen met elkaar samenhangen, en biedt een nieuw gereedschap om materialen te bestuderen die ver van thermisch evenwicht verkeren, zoals veel industriële zachte materialen dat zijn.