Moč granularnih verižic

Kovinske granule so majhne kroglice, ki jih dostikrat uporabljamo kot laboratorij za simuliranje drugih sistemov. So skrajno preprosti objekti, ki jih je enostavno manipulirati, včasih pa pokažejo tudi kakšne kaprice, lastne le granularnim sistemom. Ena izmed teh je pojav, ki ste ga morda opazili v müsliju - če tresemo vrečko, se večje granule naberejo na vrhu, manjše pa na dnu.

O nekoliko drugačnem, vendar nič manj zanimivem pojavu iz sveta granularne fizike pa poroča francosko-belgijska skupina znanstvenikov in znanstvenic. V raziskavi so se osredotočili na verižice granul, specifično njihove mehanske lastnosti, ko so bile zaprte v fiksnem volumnu.

V eksperimentu so z batom pritiskali na neurejeno gmoto verižic in merili, kakšna sila povzroči določeno globino vdornine. Sklepali so, da daljše in posledično bolj prepletene verige pomenijo večjo odpornost materiala. To pogosto opazimo v naravi in arhitekturi. Morda najbolj zgovoren primer je ptičje gnezdo, ki je trpežno ne glede na upogibnost gradnikov - posameznih vejic. Pretekle raziskave so že pokazale, da je ključni element za robustnost končne strukture oblika njenih gradnikov.

Oblike, kot so na primer ravne paličice ali grobi kamenčki, h končni odpornosti na silo prispevajo samo s trenjem robov enega ob drugega. Nekoliko večji kolektivni učinek pa imajo gradniki v oblikah črk, na primer U ali Z. Take oblike se lahko med sabo zataknejo, kar bi lahko imenovali topološka upornost.

V nasprotju s prej opisanima mehanizmoma so granularne verižice posebne v tem, da spreminjajo svojo obliko in tvorijo zanke med sabo in tudi same s sabo. Kolektivni efekt zank je topološka upornost. Ta mehanizem je zelo podoben pojavu z čisto drugačnega področja - fizike polimerov. Polimeri so v resnici dolge nitaste molekule, ki se zapletajo ena v drugo. Med njih sodi veliko plastik, pa tudi biološke spojine, denimo DNK.

S pomočjo polimerne analogije so znanstveniki in znanstvenice opisali model univerzalne relacije med upornostjo sistema granularnih verižic in dolžino verižic ter velikostjo granul. Odkritje ima po besedah avtorjev potencial za uporabo v sintezi novih materialov, zanimivih tekstilov in biologiji.

Kot zanimivost pa še to: meritve na verižicah, ki so jim primešali nepovezane granule, so dale podporo morda zanimivemu skalirnemu zakonu, ki ima prav tako osnove v fiziki polimerov. Po njem se upornost sistema povečuje s proporcem granul, ki so povezane v verižice, in sicer z eksponentom enajst osmin.

To je najbolj nenavaden skalirni zakon, ki ga je do zdaj srečal vajenec Martin.

Članek je bil objavljen v reviji Physical Review Letters (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.088001).