建模海岛逆向粘合相分离

上世纪90年代,研究者首次发现,在粘合材料混合体中,当应用正确条件时,可出现被称为相位分离的独特转换过程。广岛大学校友Yoshihide Kubo先生在他的研究中提出了第一种强健方法建模这些系统,避免不必要的复杂因素,同时产生可轻易复制实验结果帮助研究者更好地了解软素所展示的各种物理属性

当两种液有不同的物理属性完全混合时,结果流体会显示自身的独特属性,这些特性在整个内部保持一致性。右温度和富集度应用时,两种流体可以通过名为“相位分离”过程突然重新分离-显著改变整体混合特性相位分离已知发生在各种固态和流体系统中,数学模型可以很好地描述这些系统。但在1990年代 材料物理家发现 一种新型相位完全分离

发现与视觉素材相关这些材料都阻抗流水-像蜂蜜和糖浆-并恢复原形-机械力除去-像橡胶-行为分期分解时可发现非对称动态,内含慢动分子,其他移动速度快得多。在许多形式“软物”中特别常见:一组变形材料,包括聚合物、液态物和凝胶,在机械力应用前行为与固态相似

在许多情况下,对称相位分离特征源于流体混合物分子成分之间的大片差异反之,它们可能出现在各种玻璃成型材料中,硬性、易碎性状态和软性橡皮状态之间存在巨大的温度差异。由于这些独有性能,先前描述固流系统相分离模型无法再用于这一复杂案例

海岛
通过1990年代早期研究,研究者首先观察到粘合相位分离涉及快速倒置“海岛结构”,小滴流水悬浮在环绕大流水中时间流逝 海洋和岛屿会翻转大流体会凝聚成小滴或字符串,而大流体则会扩展环绕前流体海洋向小岛过渡过程后,它成为海洋显示网络结构后的一个小岛网络结构以及海岛结构逆向观察从混合状态向离散状态的过渡阶段,即粘固相分离阶段分离阶段

循环相位分离包括快速反转海岛结构,小滴流水悬浮于大流水中

模型变化强力驱动 由长距离连接 分子在每个流体中当环境条件超过某些阈值时,这种连通性会突然改变,改变液体物理特性液态转换成由聚合物综合网络组成 gels时悬浮聚合分子相容相位分离首次发现时,其特征证明比其他相位分离难建远得多问题持续至今至今为止,这些困难使研究人员和制造商无法利用它独有性能应用实用性

复杂模型的利弊
库波佳希德努力构建更可靠的模型 建立于强数学基础第一批研究粘性相位分离模型中包括二流模型 — — 模型考虑了由大型复杂聚合分子和小溶性分子制成的溶剂内部动态不对称如何产生。这种方法有力地基础考虑这些粒子之间的连通性方程描述两种材料运动表示机械压力与传播速度之间的联系

换句话说,其他模型则以更直接的方式考虑相位分离期间混合物的粘合性一种模型思考机器应力消除后混合物松动方式,另一种方法则近似动态方式,将粒子间交互作用处理成小泉 — — 相位分离时这些微泉可互连通性研究者通过进一步研究显示,模型群可成功预测对粘合相分离的实际观察结果尽管如此,这些方法的复杂性使得研究人员难以融入模拟-严重限制应用性

有限成功简单模型
开发这些模型的同时,其他研究力求以比较直截了当的方式建模透析相位分离这些努力将以数学框架为基础,这些框架直接近似动态不对称,不计对之负责的物理属性研究者引入方程命名为“移动函数”,即混合体中两种流体运动取决于它们的集中度而非复杂底层因子

使用这种方法,研究人员能够预测海岛模式演化特征粘性相分离,而无需考虑粘性物理由于其简洁性,进程最重要的结果可压缩成单方程,使研究人员更容易在流体动态模拟中实现然而,使用移动功能的简单性自有弊端。事实世界现象基础越少,这些模型的结果就越难反映实实验结果,从而使研究人员更难从模拟中作出可靠预测。

搭建免费能源模型
这两种模拟复合相位分离法使研究人员能够探索自初始发现以来该现象的许多独有特征归根结底,它们的缺陷长期需要更精密方法,这种方法既精准又易实现模拟库波先生通过最新研究发现,可以通过微小修改数学方程实现上述目标,数学方程描述粘合相分离期间混合物的“免费能量”。

团队自由能模型非弹性松动或粒子动态直接变换等模拟参数,而考虑名为“化学潜力”值

自由能是一个术语描述最大能量,可添加到热力系统中,同时保持温度和压力常数或温度和体积常数库波先生及其同事通过计算证明,他们拟修改描述时可保留代表分片常量的参数,即使物理特性随时间演化而变化。团队自由能源模型非取弹性松动或粒子动态直接变换等模拟参数,而取名为“化学潜力”值-描述吸收或释放能量量随粒子分量相异而变化

计算化学潜力
库博先生团队使用更新方法,思考混合中流如何在粘合相分离期间增强,并导致化学潜力跳动重要的是,如果环境条件不变,这种跳转只能在组成基本相同的混合体内发生。因此,通过调整混合物组成,研究人员能够精确控制模拟中的动态不对称性,而无需考虑复杂物理特性

这些优势使研究人员能够微调模拟生成特定的海岛模式,转而允许研究者工程具有特定物理属性的混合体他们的自由能量和化学潜力考虑甚至允许复制稀释仿化液解决方案中发现的奇特模式-随着相位变换形成环环环环岛结构整体上,团队结果显示 需要重新思考物理 与粘合相位分离开发以自由能源为中心的模型 — — 静态物理量而非其他效果 — — 如动态不对称或粘合效果

库波模型表示大流发生过渡集中,表示集中变化导致阶段过渡是海岛结构逆转的原因况且,既然可以理解免费能源模型凝胶也有化学潜力跳动,似有必要将海岛结构逆向与凝胶或类似凝胶微孔网连接起来。

改善未来研究前景
计算库波先生模型发现后, 未来对比相位分离研究研究的研究人员 很快就能更能理解 自身特性随物料组成而变化还可以提高微调动态不对称混合体的能力,以显示相位分离期间的具体属性,使其适应各种应用应用到制造过程时,这种使用可包括编织疏水面新方法,强排水法、过滤微量液化混合物法和色谱分离法