Nyírási lokalizáció és rendeződés szemcsés anyagokban (munkabeszámoló) Szabó Balázs fiatal kutató, MTA Wigner FK, SZFI Komplex Folyadékok Osztály, Részben Rendezett Rendszerek Csoport 2010. szeptember 27-től 2013. május 7-ig doktorandusz, ELTE TTK DI Fizika Program Témavezető: Börzsönyi Tamás
Nyírási lokalizáció és rendeződés szemcsés anyagokban Két kutatási irány: Nyírási lokalizáció rétegezett szemcsés anyagokban Elnyújtott alakú részecskék rendeződése nyírás hatására
Nyírási lokalizáció rétegzett szemcsés anyagokban
Nyírási lokalizáció szemcsés anyagokban felülnézet: (korund mákszemekkel)
Nyírási lokalizáció rétegzett anyagok esetén Elméleti jóslat: rétegzett rendszerekben zónatörés, optikai analógia (Fermat elv): erő Pds min. ds min. Optika: nds min. sin sin n1 sin n sin 2 1 2 Tamás Unger, Phys. Rev. Lett. (2007) kis súrlódás nagy súrlódás
Kísérleti elrendezés színezett üveggyöngy korund üveggyöngy üveggyöngy Pds min. színezett korund korund
Törés Elhajlás színezett korund üveggyöngy színezett üveggyöngy korund korund színezett üveggyöngy üveggyöngy színezett korund
Törés Elhajlás
Törés Elhajlás nagy súrlódás high friction kis súrl. kis súrlódás nagy súrlódás low friction
Törés Elhajlás P ds min. P ds min. low friction high friction high friction low friction
Törés Elhajlás Kísérlet nagy súrlódás kis súrl. nagy súrlódás kis súrlódás Szimuláció nagy súrlódás kis súrl. nagy súrlódás kis súrlódás Szimulációk: Unger Tamás, BME (fluctuating narrow band model)
Teljesül-e az optikából ismert Snellius-Descartes törvény? sin sin corundum glass Becslés corundum glass értékére a rézsűszögek mérésével: corundum glass tanr tan corundum glass r tan 33.2 tan 21.9 o o 1.63 T. Börzsönyi, T. Unger, B. Szabó: Shear zone refraction and deflection in layered granular materials, Phys. Rev. E 80, 060302(R) (2009) T. Börzsönyi, T. Unger, B. Szabó, S. Wegner, F. Angenstein and Ralf Stannarius: Reflection and exclusion of shear zones in inhomogeneous granular materials, Soft Matter 7, 8330-8336 (2011)
További konfigurációk T. Börzsönyi, T. Unger, B. Szabó, S. Wegner, F. Angenstein and Ralf Stannarius: Reflection and exclusion of shear zones in inhomogeneous granular materials, Soft Matter 7, 8330-8336 (2011)
Feltárás MRI Teljes visszaverődés határesete Szimuláció üveg korund üveg korund üveg korund y c H 2 2 1
Gondolatkísérlet kis súrlódás kis súrlódás kis súrlódás kis súrlódás nagy súrlódás nagy súrlódás nagy súrlódás nagy súrlódás Nyíráshoz szükséges erő Pds min. ds min. Fermat elv: nds min.
Zóna kiszorítása
Feltárás Szimuláció Zóna kiszorítása kis súrlódás kis súrlódás A zóna felhasadása Feltárás Szimuláció nagy súrl. nagy súrl. P ds min. y c W 2 korund korund üveg üveg
Feltárás Szimuláció Zóna kiszorítása kis súrlódás kis súrlódás nagy súrl. nagy súrl.
Összefoglalás (1. rész) Több különböző jelenséget találtunk (zóna törése, elhajlása, teljes visszaverődés, kiszorítás) Két független módszerrel méréseket végeztünk (feltárás, MRI), és összevetettük numerikus szimulációkkal. Teszteltük Snellius-Descartes törvényét szemcsés anyagokra. sin sin corundum glass T. Börzsönyi, T. Unger, B. Szabó, Phys. Rev. E 80, 060302(R) (2009) T. Börzsönyi, T. Unger, B. Szabó, S. Wegner, F. Angenstein and Ralf Stannarius, Soft Matter 7, 8330-8336 (2011)
Elnyújtott alakú részecskék folyása különböző méretskálákon fatörzsek a folyón mezőgazdaság baktériumok nanorudak nanohuzalok vírusok nematikus folyadékkristályok MBBA molekula
Nematikus folyadékkristályok folyási orientációja Az orientációs szög egy anyagi paraméter, nem függ a nyírási rátától, de szisztematikusan csökken a rendezettség növekedésével. Az anyag viszkozitása jelentősen (~50%) csökken a folyási orientáció következtében.
Hengeres elrendezésű nyíró áramlás elnyújtott alakú részecskék Felvétel felülnézetből (rizs: L/d = 3.4) - rizs: L/d = 2.0, 3.4, 4.5 - üveg rudak: L/d = 1.4 3.5, - fa rudak: L/d = 2.0, 3.3, 5.0
Részecske detektálás Detektált részecskék szűrése méret (minimum, maximum), hosszúság/szélesség arány (min, max), ellipszis illesztés (rizs) vagy téglalap illesztés (rudak)
Átlagos orientáció iránya és a rendparaméter a nyírási ráta függvényében T ij 3 2N N n1 ( l ( n) i l ( n) j 1 ij ) 3 S = T legnagyobb sajátértéke egytengelyű eset: S 3 cos 2 2 1 3 av a rendparaméter enyhén csökken a nyírási rátával nem függ a nyírási ráta értékétől
Átlagos orientáció iránya és a rendparaméter az L/d és S függvényében av csökken L/d növelésével
A stacionárius állapothoz tartozó szögeloszlást egy tranziens után érjük el üveg rudak, L/d=3.5 kezdeti tranziens stacionárius állapot
Mekkora erő (forgatónyomaték) szükséges a rendszer nyírásához? Hogyan változik a rendszer ellenállása (súrlódása) a tranziens alatt? M M stat e / T
Összefoglalás (2. rész) - 3 dimenziós felvételek alapján is - szimulációk alapján is
Publikációk: T. Börzsönyi, T. Unger, B. Szabó: Shear zone refraction and deflection in layered granular materials, Phys. Rev. E 80, 060302(R) (2009) T. Börzsönyi, T. Unger, B. Szabó, S. Wegner, F. Angenstein and Ralf Stannarius: Reflection and exclusion of shear zones in inhomogeneous granular materials, Soft Matter 7, 8330-8336 (2011) (IF:4.2) T. Börzsönyi, B. Szabó, G. Törös, S. Wegner, J. Török, E. Somfai, T. Bien, R. Stannarius: Orientational Order and Alignment of Elongated Particles Induced by Shear, Phys. Rev. Lett. 108, 228302 (2012) T. Börzsönyi, B. Szabó, S. Wegner, K. Harth, J. Török, E. Somfai, T. Bien, R. Stannarius: Shear-induced alignment and dynamics of elongated granular particles, Phys. Rev. E 86, 051304 (2012) Magyar nyelven: B. Szabó: Hogyan törik a szemcsés anyag, avagy egy különös analógia az optikával, Természet Világa 143, 500-503 (2012) TIT-DOSZ Doktorandusz Cikkpályázat, Természet Világa kategória, II. díj Konferenciakiadványok: R. Stannarius, S. Wegner, B. Szabó, T. Börzsönyi: Shear alignment and orientational order of macroscopic rodlike grains, Powders and Grains Conference 2013 (elfogadva) Előadások nemzetközi konferenciákon: - 75. Jahrestagung der DPG und DPG Frühjahrstagung, 2011 március 13-18, Dresden, Németország - 19. NCLC Conference, 2012. november 21-23, Patiala, India - 33. Dynamics Days Europe, 2013. június 3-7, Madrid, Spanyolország (elfogadva) Előadások hazai konferenciákon: - Statisztikus Fizikai Nap, 2012 és 2013 - OTKA-NSF Symposium, 2011
Akiket köszönet illet: Börzsönyi Tamás Somfai Ellák Török János Unger Tamás Ralf Stannarius, Sandra Wegner, Tomasz Bien, Frank Angenstein, Kirsten Harth Törös Gábor Részben Rendezett Rendszerek Csoport Wigner FK Anyagi támogatás: OTKA MÖB DAAD Terveim a fokozatszerzés előtt: további két cikk folyamatban német alapfokú nyelvvizsga PhD disszertáció beadása: 2013 vége Köszönöm a figyelmet!