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 со стеклованием , но сильно отличающийся от образования кристаллических твердых веществ . [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.
Фазовая диаграмма заклинивания связывает переход заклинивания с обратной плотностью, напряжением и температурой. [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. Неясно, расходится ли защемляющая поверхность при достаточно высоких плотностях или низких температурах.
Моделирование заклиненных систем изучает конфигурации частиц, приводящие к заклиниванию как в статических системах, так и в системах, находящихся под действием сдвига. 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 по 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 связан со смещениями частиц. которые точно соответствуют приложенной сдвиговой деформации ; 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 , которую перекачивают 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 взаимодействие между автомобилями (поскольку они должны избегать друг друга, чтобы избежать столкновения) вызывает 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 при застревании клеток, включают форму клеток, межклеточный контакт и движение клеток, изученные как при эмбриональной организации [9] , так и при астме. [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]
