Noen hverdagsmaterialer har minner, og nå kan de slettes

Noen faste materialer har et minne om hvordan de tidligere har blitt strukket ut, noe som påvirker hvordan de reagerer på slike deformasjoner i fremtiden. En ny Penn State-studie gir innsikt i minnedannelse i skum og emulsjoner som er vanlig i matvarer og legemidler, og gir en ny metode for å slette dette minnet, som kan veilede hvordan materialer forberedes for fremtidig bruk.

“En fold på et stykke papir fungerer som et minne om å være brettet eller krøllet,” sa Nathan Keim, førsteamanuensis i fysikk ved Penn State som ledet studien. “Mye annet materialer danner minner når de er deformert, varmes opp eller kjøles ned, og du vet det kanskje ikke med mindre du stiller de riktige spørsmålene. Å forbedre vår forståelse av hvordan man skriver, leser og sletter minner gir nye muligheter for diagnostikk og programmering av materialer. Vi kan finne ut historien til et materiale ved å gjøre noen tester eller slette et materiales minne og programmere et nytt for å forberede det for forbruker- eller industriell bruk.”

Forskerne studerte hukommelse i en type materiale som kalles uordnede faste stoffer, som har partikler som ofte er uregelmessig ordnet. For eksempel er iskrem et uordnet fast stoff som består av en kombinasjon av iskrystaller, fettdråper og luftlommer blandet sammen på en tilfeldig måte. Dette står i sterk kontrast til materialer med “krystallinske strukturer”, med partikler arrangert i høyt ordnede rader og kolonner. Uordnede faste stoffer er vanlige innen matvitenskap, forbrukerprodukterog farmasøytiske produkter og inkluderer skum som iskrem og emulsjoner som majones.

“Forberedelse av materialer inkluderer ofte å manipulere dem på måter som endrer arrangementet av deres molekyler, bobler eller dråper, og tar dem fra en høyere energitilstand til en lavere energi, mer stabil tilstand,” sa Keim. “For noen materialer som glass innebærer dette at materialet forsiktig varmes opp slik at molekylene ikke sitter fast og kan ordne seg på en mer organisert måte. Men for noen materialer, som majones, har oppvarming ødeleggende eller uappetitlige bivirkninger. Så for materialer der oppvarming er ikke et alternativ, vi bruker en prosess kalt mekanisk gløding for å fysisk deformere materialet og bringe det til en lavere energitilstand.”

Keim og kolleger har tidligere undersøkt hvordan mekanisk gløding av uordnede faste stoffer kan tillate et materiale å danne et minne om den deformasjonen, og påvirke hvordan det reagerer på fremtidig deformasjon. I en ny artikkel som vises 5. oktober i journalen Vitenskapens fremskrittgir forskerne en mer raffinert forståelse av hvordan minner dannes i uordnede faste stoffer og hvordan eksisterende minner kan “leses” og til og med slettes.

“Vi deformerer materialet vårt ved å skjære, som innebærer å flytte den ene siden av materialet i forhold til den andre, som å trekke hjørnet av et rektangel til siden slik at det blir et parallellogram,” sa Keim. “Ved å gjenta denne deformasjonen i samme størrelse mange ganger, kan du i hovedsak skrive inn et minne om deformasjonen, som subtilt påvirker hvordan den reagerer på deformasjon av andre størrelser i fremtiden. Vi klargjorde omstendighetene under hvilke dette minnet dannes i uordnede faste stoffer. og viste hvordan man bestemmer størrelsen på en tidligere deformasjon som hadde blitt skrevet inn.”

Forskerne demonstrerer også en ny metode for å slette minner i uordnede faste stoffer.

“Noen av reglene for minne i disse materialene ligner mye på reglene for minne i ferromagneter, noe fysikere har studert intenst i over hundre år,” sa Keim. “En kjøleskapsmagnet bærer en magnetisering som er et slags minne over magnetiske felt som ble påført på fabrikken. For å slette disse minnene kan du bruke et sterkt magnetfelt og veksle retning mens du gradvis gjør feltet svakere. Med vår nye metode, som vi kaller en ring down-metode, bruker vi mindre og mindre størrelser av deformasjon til minnet er fjernet.”

Å slette et minne kan gi en mulighet for materialforskere til å ta utgangspunkt i en ren tavle og deretter forberede et materiale på den mest fordelaktige måten.

For denne studien simulerte forskerne en uordnet fast ved å bruke 25 000 bittesmå plastpartikler plassert ved grensesnittet mellom vann og olje i en tallerken – et oppsett utviklet av medforfatter Dani Medina, en undergraduate ved California Polytechnic State University, San Luis Obispo, på tidspunktet for forskningen. Partiklene er elektrostatisk ladet, frastøter hverandre, og kan deformeres med en nål som beveger seg langs grensesnittet på en kontrollert måte. Teamet brukte et mikroskop for å spore arrangementet av partiklene i materialet.

“Forstyrrede faste stoffer er mer like enn forskjellige, og de mikroskopiske detaljene i strukturen deres – enten oljedråper eller skumbobler eller korn eller partikler – ser ikke ut til å påvirke den generelle oppførselen veldig mye,” sa Keim. “Dette lar våre eksperimenter gi innsikt i mekanisk gløding og minnedannelse i mange andre materialer. I fremtiden vil vi gjerne verifisere disse egenskapene til materialet hukommelse i tredimensjonale uordnede faste stoffer – tilsvarende majones eller iskrem.”

---

---