חשיפת העולם הנסתר של חומרים גרגירים: מהנדסי MIT בודקים את המנגנונים של מפולות ורעידות אדמה

טכניקה חדשה מאפשרת הדמיה של כוחות פנימיים בתוך חומרים גרגירים בפירוט תלת מימדי, תוך התגברות על אתגרים קודמים בהתבוננות בהתנהגותם.

חומרים גרגירים, אלה המורכבים מחתיכות בודדות, בין אם גרגרי חול או פולי קפה או חלוקי נחל, הם הצורה הנפוצה ביותר של חומר מוצק על פני כדור הארץ. האופן שבו חומרים אלה נעים ומגיבים לכוחות חיצוניים יכולה לקבוע מתי מפולות אדמה או רעידות אדמה קורות, כמו גם אירועים ארציים יותר כמו איך דגנים נסתמים ביציאה מהקופסה.

עם זאת, ניתוח האופן שבו אירועי זרימה אלו מתרחשים ומה קובע את התוצאות שלהם היה אתגר אמיתי, ורוב המחקר הוגבל לניסויים דו-ממדיים שאינם חושפים את התמונה המלאה של אופן התנהגות החומרים הללו.

כעת, חוקרים ב MIT פיתחו שיטה המאפשרת ניסויים תלת מימדיים מפורטים שיכולים לחשוף בדיוק כיצד כוחות מועברים דרך חומרים גרגירים, וכיצד צורות הגרגירים יכולות לשנות באופן דרמטי את התוצאות. העבודה החדשה עשויה להוביל לדרכים טובות יותר להבין כיצד מופעלות מפולות, כמו גם כיצד לשלוט בזרימת חומרים גרגירים בתהליכים תעשייתיים. הממצאים מתוארים בכתב העת PNAS במאמר של פרופסור להנדסה אזרחית וסביבתית ב-MIT Ruben Juanes ו-Wei Li SM '14, PhD '19, שנמצא כעת בפקולטה באוניברסיטת סטוני ברוק.

נפוצות וחשיבותם של חומרים גרגירים

מאדמה וחול ועד קמח וסוכר, חומרים גרגירים נמצאים בכל מקום. "זה פריט יומיומי, זה חלק מהתשתית שלנו", אומר לי. "כשאנחנו מבצעים חקר חלל, רכבי החלל שלנו נוחתים על חומר גרגירי. וכישלון התקשורת הגרעיני יכול להיות קטסטרופלי, כמו מפולות אדמה".

"ממצא מרכזי אחד של מחקר זה הוא שאנו מספקים הסבר מיקרוסקופי מדוע חבילת חלקיקים זוויתית חזקה יותר מחבילת כדורים", אומר לי.

חואנס מוסיף, "זה תמיד חשוב, ברמה הבסיסית להבין את התגובה הכוללת של החומר. ואני יכול לראות שבהמשך, זה יכול לספק דרך חדשה לחזות מתי חומר ייכשל."

ההבנה המדעית של החומרים הללו החלה באמת לפני כמה עשורים, מסביר חואנס, עם המצאת דרך למודל של התנהגותם באמצעות דיסקים דו-ממדיים המייצגים כיצד כוחות מועברים דרך אוסף של חלקיקים. אמנם זה סיפק תובנות חדשות וחשובות, אבל הוא גם עמד בפני מגבלות חמורות.

בעבודה קודמת, לי פיתחה דרך לייצור חלקיקים תלת מימדיים באמצעות טכניקת דחיסה המייצרת חלקיקי פלסטיק נקיים מלחצים שיוריים וניתן ליצור כמעט בכל צורה לא סדירה. כעת, במחקר האחרון הזה, הוא וחואנס יישמו שיטה זו כדי לחשוף את הלחצים הפנימיים בחומר גרגירי בעת הפעלת עומסים, במערכת תלת מימדית מלאה המייצגת בצורה הרבה יותר מדויקת חומרים גרגירים בעולם האמיתי.

טכניקות הדמיה ויישומים עתידיים

החלקיקים האלה הם פוטואלסטיים, מסביר חואנס, מה שאומר שכאשר הם נמצאים בלחץ, הם משנים כל אור שעובר דרכם בהתאם לכמות הלחץ. "לכן, אם אתה מאיר דרכו אור מקוטב ואתה מלחיץ את החומר, אתה יכול לראות היכן מתרחש שינוי הלחץ הזה מבחינה ויזואלית, בצורה של צבע שונה ובהירות שונה בחומר."

חומרים כאלה היו בשימוש במשך זמן רב, אומר חואנס, אבל "אחד הדברים המרכזיים שמעולם לא הושגו היה היכולת לדמיין את הלחצים של חומרים אלה כאשר הם שקועים בנוזל, שבו הנוזל יכול לזרום דרך החומר עצמו."

היכולת לעשות זאת היא חשובה, הוא מדגיש, מכיוון ש"מדיה נקבוביות בעלת עניין – מדיה נקבוביות ביולוגית, מדיה נקבוביות תעשייתית ומדיה נקבוביות גיאולוגית – הן מכילות לעתים קרובות נוזל בחללי הנקבוביות שלהן, והנוזל הזה יועבר הידראולית דרך הנקבוביות הללו. פתחים. ושתי התופעות משולבות: כיצד מועבר הלחץ ומהו לחץ הנוזל הנקבובי".

הבעיה הייתה שכאשר משתמשים באוסף של דיסקים דו מימדיים לצורך ניסוי, הדיסקים ייארזו בצורה כזו שייחסמו את הנוזל לחלוטין. רק עם מסה תלת מימדית של גרגירים תמיד יהיו נתיבים לזרימת הנוזל דרכם, כך שניתן יהיה לעקוב אחר הלחצים בזמן שהנוזל נע.

באמצעות שיטה זו, הם הצליחו להראות כי "כאשר אתה דוחס חומר גרגירי, הכוח הזה מועבר בצורה של מה שהיינו מכנים שרשראות, או חוטים, שהטכניקה החדשה הזו מסוגלת לדמיין ולתאר בתלת מימד." אומר חואנס.

כדי לקבל את התצוגה התלת-ממדית, הם משתמשים בשילוב של הפוטואלסטיות כדי להאיר את שרשראות הכוח, יחד עם שיטה הנקראת טומוגרפיה ממוחשבת, בדומה לזו המשמשת בסריקות CT רפואיות, כדי לשחזר תמונה תלת-ממדית מלאה מסדרה של 2,400 תמונות שטוחות שצולמו כשהאובייקט מסתובב ב-360 מעלות.

מכיוון שהגרגרים שקועים בנוזל בעל אותו מקדם שבירה בדיוק כמו גרגרי הפוליאוריתן עצמם, החרוזים אינם נראים כאשר אור זורח דרך המיכל שלהם אם הם אינם בלחץ. לאחר מכן, מתח מופעל, וכאשר אור מקוטב זורח מבעד, זה חושף את הלחצים כאור וצבע, אומר חואנס. "מה שבאמת מדהים ומרגש הוא שאנחנו לא מדמיינים את המדיום הנקבובי. אנחנו מדמיינים את הכוחות המועברים דרך המדיום הנקבובי. זה פותח, לדעתי, דרך חדשה לחקור שינויים במתח בחומרים גרגירים." הוא מוסיף כי "זה באמת היה חלום שלי במשך שנים רבות", ולדבריו הוא התגשם הודות לעבודתה של לי בפרויקט.

בעזרת השיטה הם הצליחו להדגים בדיוק איך זה שגרגרים לא סדירים וזוויתיים מייצרים חומר חזק ויציב יותר מאלה כדוריים. אמנם זה היה ידוע אמפירית, אבל הטכניקה החדשה מאפשרת להדגים בדיוק מדוע זאת, בהתבסס על אופן חלוקת הכוחות, ותאפשר בעבודה עתידית לחקור מגוון רחב של סוגי דגנים כדי לקבוע בדיוק מהם המאפיינים החשוב ביותר בייצור מבנים יציבים, כגון נטל של ערוגות מסילת ברזל או ריסוק על שוברי גלים.

מכיוון שלא הייתה שום דרך לצפות בשרשראות הכוח התלת-ממדיות בחומרים כאלה, אומר חואנס, "כרגע קשה מאוד לחזות מתי תתרחש מפולת בדיוק, כי אנחנו לא יודעים על הארכיטקטורה של הכוח שרשראות לחומרים שונים."

ייקח זמן לפתח את השיטה כדי להיות מסוגל לבצע תחזיות כאלה, אומר לי, אבל בסופו של דבר זו יכולה להיות תרומה משמעותית של הטכניקה החדשה הזו. והרבה יישומים אחרים של השיטה אפשריים גם הם, אפילו באזורים שלכאורה לא קשורים כמו איך ביצי דגים מגיבות כשהדגים הנושאים אותן עוברים במים, או בסיוע בתכנון סוגים חדשים של תפסנים רובוטיים שיכולים להסתגל בקלות לאיסוף חפצים מכל צורה שהיא.

העבודה נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע בארה"ב.