Глушение (физика)
Заклинивание — это физический процесс, при котором вязкость некоторых мезоскопических материалов, таких как гранулированные материалы , стекла , пены , полимеры , эмульсии и другие сложные жидкости , увеличивается с увеличением плотности частиц. Переход заклинивания был предложен как новый тип фазового перехода , имеющий сходство с стеклованием, но сильно отличающийся от образования кристаллические твердые вещества . [1]
В то время как стеклование происходит при охлаждении жидкого состояния, переход застревания происходит, когда плотность или доля упаковки частиц увеличивается. Такое скопление составляющих частиц не позволяет им течь под приложенным напряжением и исследовать фазовое пространство , в результате чего агрегатный материал ведет себя как твердое тело. Система может быть способна разблокироваться, если объемная доля уменьшена или приложены внешние напряжения, превышающие предел текучести. Этот переход интересен тем, что он нелинейен по объемной доле.
заклинивания Фазовая диаграмма связывает переход заклинивания с обратной плотностью, напряжениеми температура. [2]
Плотность застревания систем определяется многими факторами, в том числе формой их компонентов, деформируемостью частиц, силами трения между частицами и степенью дисперсности системы. Общая форма коллектора помех может зависеть от конкретной системы. Например, особенно интересной особенностью заклинивающего перехода является различие между притягивающими и отталкивающими системами частиц. Неизвестно, расходится ли защемляющая поверхность при достаточно высоких плотностях или низких температурах.
Моделирование заклиненных систем изучает конфигурации частиц, приводящие к застреванию как в статических системах, так и в системах, находящихся под сдвигом. При сдвиговом напряжении средний размер кластера может отличаться после конечной степени деформации, что приводит к заклиниванию. Конфигурация частиц может существовать в заклиненном состоянии, при этом напряжение необходимо, чтобы «разорвать» силовые цепи, вызывающие застревание.
Простейшая реализация статической заклиненной системы представляет собой случайную сферическую упаковку из мягких без трения сфер, которые сжимаются при приложении к упаковке внешнего гидростатического давления. Непосредственно в месте заклинивающего перехода приложенное давление равно нулю и модуль сдвига также равен нулю, что совпадает с потерей жесткости и расклиниванием системы. Кроме того, в точке помех система является изостатической. Выше точки защемления приложенное давление вызывает увеличение объемной доли за счет сжимания мягких сфер ближе друг к другу и, таким образом, создает дополнительные контакты между соседними сферами. Это приводит к увеличению среднего количества контактов . Как показано в численном моделировании Кори О'Херна и его соавторов, модуль сдвига G увеличивается с увеличением следуя закону: , где d — размерность пространства. [3] Микроскопическая теория упругости из первых принципов, разработанная Алессио Закконе и Э. Скосса-Романо, количественно объясняет этот закон с точки зрения двух вкладов: первый член представляет собой вклад типа связи, поэтому пропорционален и связано со смещениями частиц, которые точно следуют за приложенной сдвиговой деформацией ; второй (отрицательный) член обусловлен внутренними релаксациями, необходимыми для поддержания локального механического равновесия в напряженной неупорядоченной среде, и, таким образом, пропорционален общему числу степеней свободы, отсюда и зависимость от размерности пространства d . [4] Эта модель актуальна для сжатых эмульсий, где трение между частицами незначительно. Другим примером системы со статическим заклиниванием является куча песка, которая застревает под действием силы тяжести, и энергия не рассеивается.
Системы, потребляющие энергию, также иногда называют заблокированными. Примером могут служить пробки , где из-за пробок средняя скорость автомобилей на дороге может резко упасть. Здесь автомобили на дороге можно рассматривать как гранулированный материал или неньютоновскую жидкость , перекачиваемую через трубку. Там при определенных условиях эффективная вязкость может быстро увеличиваться, резко увеличивая сопротивление сыпучего материала или жидкости течению и, таким образом, вызывая падение скорости или даже полную остановку. В этой аналогии автомобили подобны зернышкам в зернистом материале , и если они достаточно плотные (т. е. достаточно близко расположены вдоль дороги), то взаимодействия между автомобилями (поскольку они должны избегать друг друга, чтобы избежать столкновения) вызывают застревание. Простая модель такого поведения — модель Нагеля-Шрекенберга .
Понятие «застревания» также можно рассматривать с биофизической точки зрения, чтобы охарактеризовать остановку клеточного движения. [5] Подвижность клеток играет важную роль во многих биологических процессах, включая морфогенез тканей, заживление ран и инвазию рака. [6] [7] Характеристика механизмов, которые приводят к этим явлениям «застревания» и «раскрепления», может дать более детальное представление о развитии тканей и помочь в определении новых целей для лечения заболеваний. [5] [8] Идентификация свойств, определяющих эти клеточные фазовые изменения, стала темой недавнего интереса. Заглушение на основе плотности ячеек аналогично задержке частиц в физике, поскольку вязкость группы клеток, как и группы частиц, будет увеличиваться по мере увеличения плотности клеток. Другие ключевые параметры, однозначно обсуждаемые в отношении застревания клеток, включают форму клеток, межклеточный контакт и движение клеток, изучаемые как в эмбриональной организации, так и в эмбриональной организации. [9] и астма. [10] Эти факторы тесно связаны друг с другом. В одной из попыток проиллюстрировать механизмы блокировки клеток Lawson-Keister et. ал. использовать три фактора: а) плотность, б) геометрическую несовместимость и в) флуктуации. [5]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бироли, Джулио (апрель 2007 г.). «Джемминг: новый вид фазового перехода?» . Физика природы . 3 (4): 222–223. Бибкод : 2007NatPh...3..222B . дои : 10.1038/nphys580 . Проверено 28 марта 2008 г.
- ^ Траппе, В.; и др. (14 июня 2001 г.). «Фазовая диаграмма заклинивания притягивающих частиц» . Природа . 411 (6839): 772–775. Бибкод : 2001Natur.411..772T . дои : 10.1038/35081021 . ПМИД 11459050 . S2CID 661556 . Проверено 28 марта 2008 г.
- ^ О'Херн, CS; Зильберт, Ле; Лю, Эй Джей; Нагель, СР (2003). «Заклинивание при нулевой температуре и нулевом напряжении: воплощение беспорядка» . Физический обзор E . 68 (1 Pt 1): 011306. arXiv : cond-mat/0304421 . Бибкод : 2003PhRvE..68a1306O . дои : 10.1103/PhysRevE.68.011306 . ПМИД 12935136 .
- ^ Закконе, А.; Скосса-Романо, Э. (2011). «Приблизительное аналитическое описание неаффинного отклика аморфных твердых тел». Физический обзор B . 83 (18): 184205. arXiv : 1102.0162 . Бибкод : 2011PhRvB..83r4205Z . дои : 10.1103/PhysRevB.83.184205 . S2CID 119256092 .
- ^ Jump up to: а б с Лоусон-Кейстер, Элизабет; Мэннинг, М. Лиза (01 октября 2021 г.). «Защемление и остановка движения клеток в биологических тканях» . Современное мнение в области клеточной биологии . Клеточная динамика. 72 : 146–155. arXiv : 2102.11255 . дои : 10.1016/j.ceb.2021.07.011 . ISSN 0955-0674 . Проверено 11 июля 2024 г.
- ^ Ильина, Ольга; Гриценко Павел Георгиевич; Сига, Саймон; Липпольдт, Юрген; Ла Порта, Катерина AM; Чепижко, Александр; Гроссер, Штеффен; Вуллингс, Манон; Баккер, Герт-Ян; Старрус, Йорн; Балт, Питер; Заппери, Стефано; Кяс, Йозеф А.; Дойч, Андреас; Фридл, Питер (24 августа 2020 г.). «Клеточно-клеточная адгезия и ограничение трехмерной матрицы определяют застревание переходов при инвазии рака молочной железы» . Природная клеточная биология . 22 (9): 1103–1115. дои : 10.1038/s41556-020-0552-6 . ISSN 1476-4679 . ПМЦ 7502685 . Проверено 12 июля 2024 г.
- ^ Хагер, Анна; Краузе, Марина; Вольф, Катарина; Фридл, Питер (01 августа 2014 г.). «Клеточное заклинивание: коллективное вторжение мезенхимальных опухолевых клеток, вызванное ограничением тканей» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Общие предметы . Поведение и свойства клеток, опосредованные матриксом. 1840 (8): 2386–2395. дои : 10.1016/j.bbagen.2014.03.020 . ISSN 0304-4165 . Проверено 12 июля 2024 г.
- ^ Атия, Лиор; Фредберг, Джеффри Дж.; губернатор Нир С.; Пегораро, Адриан Ф. (01 декабря 2021 г.). «Является ли застревание и раскрепощение клеток необходимым для развития тканей?» . Клетки и развитие . Количественная клеточная биология и биология развития. 168 : 203727. doi : 10.1016/j.cdev.2021.203727 . ISSN 2667-2901 . ПМЦ 8935248 . Проверено 11 июля 2024 г.
- ^ Петриду, Николетта I; Гейзенберг, Карл-Филипп (15 октября 2019 г.). «Реология тканей в эмбриональной организации» . Журнал ЭМБО . 38 (20): –102497. дои : 10.15252/embj.2019102497 . ISSN 0261-4189 . ПМК 6792012 . Проверено 15 июля 2024 г.
- ^ Пак, Джин-А; Ким, Джэ Хун; Би, Дапенг; Митчел, Дженнифер А.; Казвини, Надер Тахери; Тантисира, Келан; Пак, Чан Ён; МакГилл, Морин; Ким, Сэ Хун; Гвеон, Боми; Нотбом, Джейкоб; Стюард-младший, Роберт; Бургер, Стефани; Рэнделл, Скотт Х.; Хо, Элвин Т.; Тамбе, Дхананджай Т.; Хардин, Кори; Шор, Стефани А.; Израиль, Эллиот; Вайц, Дэвид А.; Чумперлин, Дэниел Дж.; Хенске, Элизабет П.; Вайс, Скотт Т.; Мэннинг, М. Лиза; Батлер, Джеймс П.; Дразен, Джеффри М.; Фредберг, Джеффри Дж. (3 августа 2015 г.). «Распаковка и форма клеток в эпителии астматических дыхательных путей» . Природные материалы . 14 (10): 1040–1048. дои : 10.1038/nmat4357 . ISSN 1476-1122 . ПМЦ 4666305 . Проверено 15 июля 2024 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- (Ссылка на YouTube) Видео роботизированных захватов, основанных на гранулированном заклинивании, разработанное лабораторией Creative Machines в Корнелльском университете, показывает принцип, примененный к роботизированной руке.
- (Ссылка на YouTube) Видео робота с заклинивающей кожей , разработанного iRobot и финансируемого в рамках программы DARPA Chemical Robots, демонстрирует принцип, применяемый к передвижению робота.
- Кейтс, Мэн; и др. (август 1998 г.). «Гаммирование, силовые цепи и хрупкая материя» . Письма о физических отзывах . 81 (9): 1841–1844. arXiv : cond-mat/9803197 . Бибкод : 1998PhRvL..81.1841C . doi : 10.1103/PhysRevLett.81.1841 . S2CID 119378758 . Проверено 28 марта 2008 г.
- Лу, Кевин; и др. (апрель 2008 г.). «Термодинамическая унификация помех» . Физика природы . 4 (5): 404–407. arXiv : 0803.0009 . Бибкод : 2008NatPh...4..404L . дои : 10.1038/nphys934 . ISSN 1745-2473 . S2CID 35423770 . Проверено 28 марта 2008 г.
- То, Кивин; Пикьин Лай; ХК Пак (январь 2001 г.). «Застревание потока гранулята в двухмерном бункере» . Письма о физических отзывах . 86 (1): 71–74. Бибкод : 2001PhRvL..86...71T . doi : 10.1103/PhysRevLett.86.71 . ПМИД 11136096 . Проверено 28 марта 2008 г.
- Лю, Андреа Дж .; Нагель Сидни Р. (ноябрь 1998 г.). «Джемминг – это уже не просто круто» . Природа . 396 (6706): 21–22. Бибкод : 1998Natur.396...21L . дои : 10.1038/23819 . S2CID 33422329 .
- Кампас, Алессандро Монгера ; Пайам Роганян (20 сентября 2018 г.). «Переход из жидкого в твердое состояние лежит в основе удлинения оси тела позвоночных» . Природа . 561 (7723): 401–405. Бибкод : 2018Natur.561..401M . дои : 10.1038/s41586-018-0479-2 . ПМК 6148385 . ПМИД 30185907 .