Investigadores de la Universidad de Tokio descubren que la entropía estructural de dos cuerpos es la cantidad clave para comprender la dinámica de los líquidos superenfriados cortados y también el mecanismo detrás del fenómeno "adelgazamiento por corte".
líquidos sobreenfriados
A pesar de su aparente familiaridad, los líquidos son el estado de la materia menos comprendido. Al ser intermedios entre gases y sólidos, su comportamiento es una mezcla impredecible de ambos. Particularmente inusuales son los líquidos formadores de vidrio, que pueden enfriarse por debajo de su punto de congelación sincristalización. Tales líquidos sobreenfriados se vuelven cada vez más viscosos o viscosos con una disminución de la temperatura y eventualmente se convierten en sólidos vítreos vidrios por debajo de la temperatura de transición vítrea. Vemos este comportamiento amable en el proceso de soplado de vidrio para hacer una hermosa cristalería.
Ahora, en un artículo publicado en PNAS, dos investigadores del Instituto de Ciencias Industriales IIS de la Universidad de Tokio han revelado nuevos conocimientos sobre el comportamiento de los líquidos sobreenfriados cuando se hace que fluyan al "jalarlos", también llamados"cizallamiento."
líquidos sobreenfriados cortados
Inicialmente, cuando un líquido sobreenfriado se hace fluir por cizallamiento "jalar" su viscosidad permanece sin cambios, pero a medida que el líquido fluye más y más rápido, la viscosidad sorprendentemente comienza a disminuir y se hace más fácil que el líquido fluyaes decir, se vuelve menos pegajoso. Este fenómeno se denomina adelgazamiento por cizallamiento y es un proceso industrialmente muy importante que se utiliza, por ejemplo, cuando dos superficies se deslizan fácilmente una contra la otra mediante lubricantes. A pesar de décadas de investigación y gran esfuerzo por parte de muchos investigadores,El mecanismo detrás de la reducción del corte permanece desconocido.
Aprovechando el aumento de la potencia computacional, los investigadores de IIS utilizaron simulaciones por computadora de tarjetas gráficas GPU para simular varios líquidos sobreenfriados de modelos de computadora a medida que se hacen fluir por cizallamiento. El líquido sobreenfriado cortado no solo fluye más fácilmente, sino también las disposicionesde las moléculas se cambian con un flujo más rápido también llamado estructura del líquido. Estos hechos hacen que los líquidos superenfriados esquilados sean difíciles de describir utilizando teorías fundamentales. En cambio, los investigadores del IIS utilizaron un concepto bien conocido en física llamado "entropía" para describirdinámica de líquido superenfriado cizallado. La entropía es una medida de cuán ordenado está un sistema; un cristal tiende a estar más ordenado que un líquido y, por lo tanto, tiene una entropía más baja.
"Al considerar la disposición de las moléculas bajo cizallamiento podríamos conectar el comportamiento de los líquidos sobreenfriados bajo cizallamiento a un concepto fundamental en física, a saber, la entropía; o más específicamente, la entropía estructural de dos cuerpos", dice el coautor Trond S. Ingebrigtsen. "Además, como la entropía de dos cuerpos puede calcularse fácilmente en experimentos, nuestros resultados pueden verificarse no solo mediante simulaciones por computadora. Los intentos anteriores de usar la entropía de dos cuerpos tuvieron problemas ya que el cambio en la disposición de las moléculasbajo cizallamiento, o anisotropía estructural, no se tuvo en cuenta "
A medida que se hace que un líquido fluya más y más rápido bajo cizallamiento, la disposición de las moléculas debe ajustarse a la nueva situación e induce lo que se llama anisotropía estructural en el líquido. Esto significa que, por ejemplo, la estructura medida con respecto alla dirección del flujo será diferente e influye en las propiedades del sistema en su conjunto.
"Al modificar la entropía de dos cuerpos para tener en cuenta estos cambios estructurales que ocurren bajo corte, pudimos describir la dinámica de corte usando el comportamiento del líquido sin corte. Encontramos que la entropía de dos cuerpos calculada a lo largo de la llamadaEl eje extensional del flujo fue la cantidad clave para describir la dinámica cizallada. La entropía de dos cuerpos en las otras direcciones podría ignorarse con seguridad ", dice Ingebrigtsen." Intuitivamente, la estructura a lo largo de la dirección extensional es importante ya que el flujo de corte en esta direcciónse abre para más espacio y las moléculas pueden escapar más fácilmente ". Las simulaciones por computadora no descubrieron el mecanismo completo detrás del adelgazamiento por cizallamiento, pero descubrir la correlación de la dinámica cizallada con la entropía estructural de dos cuerpos proporcionó nuevas ideas sobre cómo entender los cambios estructurales.relevante para comprender el fenómeno del adelgazamiento por corte.
"Estamos muy contentos de que todos nuestros líquidos modelo simulados hayan dado resultados tan claros, ya que fueron elegidos para cubrir una gama muy amplia de líquidos modelo especialmente relevantes para experimentos", explica el coautor Hajime Tanaka. "Ahora, el desafíoes comprender con más detalle el mecanismo microscópico detrás de estas observaciones para comprender completamente el mecanismo detrás del adelgazamiento por corte. Seguimos siendo muy positivos a este respecto ".
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Materiales proporcionado por Instituto de Ciencias Industriales, Universidad de Tokio . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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