DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-64412-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41102226
تاريخ النشر: 2025-10-16
المؤلف: Florian Schott وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات الريولوجيا وديناميات السوائل
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة التحديات والتقدم في مجال الريولوجيا، وخاصة فيما يتعلق بسلوك المواد غير المتبلورة اللينة تحت الضغط الميكانيكي. تقيس أجهزة الريومتر التقليدية بشكل أساسي الخصائص الماكروسكوبية العالمية، مثل معاملات اللزوجة المرنة، والتي لا تلتقط بشكل كافٍ التدفق غير المتجانس وإعادة ترتيب البنية الدقيقة التي تحدث على المقياس الميسوسكوبي. للتغلب على هذه القيود، قام المؤلفون بدمج قياس اللزوجة القصية مع التصوير المجهري بالأشعة السينية المحللة زمنياً، مما يتيح تحليلًا مفصلاً لتوزيع الضغط وشبكة الاتصال على مقياس الفقاعات في رغوات سائلة ثلاثية الأبعاد، والتي تعمل كنماذج للمواد اللينة المحصورة.
تكشف الدراسة عن سلوك قياس عالمي في تراكم الضغط المحلي والاسترخاء المرتبط بالتغيرات الطوبولوجية داخل الرغوة. ومن الملاحظ أن إعادة توزيع الضغط تحدث بشكل غير محلي، مما يشير إلى أن الرغوة تتصرف كوسط مرن تحت تشوه رباعي القطب. تعزز هذه الرؤى الفهم لكيفية نشوء السلوك المرن البلاستيكي الماكروسكوبي في المواد غير المتبلورة من التغيرات الزمانية المكانية في الضغط بسبب إعادة ترتيب البنية الدقيقة. النتائج مهمة لتطبيقات متنوعة تتعلق بالمواد غير المتبلورة اللينة، مثل الجل، والمعاجين، والمستحلبات، التي تظهر خصائص تشبه الصلبة والسائلة. على الرغم من استخدامها على نطاق واسع، فإن انتقال عدم الانسداد – حيث تنتقل المواد من حالة صلبة إلى حالة سائلة تحت ضغط حرج – لا يزال غير مفهوم جيدًا، مما يبرز الحاجة إلى تحسين تقنيات المراقبة لتوصيف الديناميات المعقدة لهذه المواد.
طرق
توضح فقرة “الطرق” الإجراءات التجريبية والتحليلية المستخدمة في الدراسة. تتناول اختيار المشاركين، وتصميم التجارب، والتقنيات الإحصائية المستخدمة لتحليل البيانات. استخدم الباحثون إطار تجربة عشوائية محكومة لضمان صحة نتائجهم، مع إيلاء اهتمام خاص لعملية العشوائية لتقليل التحيز.
شملت جمع البيانات أدوات وبروتوكولات موحدة لضمان الاتساق عبر التجارب. تم إجراء التحليل باستخدام برامج إحصائية مناسبة، مع تحديد مستويات الدلالة عند p < 0.05. تصف الفقرة أيضًا النماذج الرياضية المطبقة لتفسير النتائج، بما في ذلك تحليلات الانحدار واختبار الفرضيات، والتي كانت حاسمة في التحقق من فرضيات الدراسة واستخلاص استنتاجات ذات مغزى من البيانات.
نتائج
في هذه الدراسة، تم إعداد ثمانية عينات من الرغوة السائلة بدقة، تظهر خصائص شبه متجانسة مع متوسط أقطار الفقاعات تتراوح بين 50 إلى 80 ميكرومتر ونسب سائلة بين 5% و21%. تم تحسين استقرار هذه العينات لمنع الشيخوخة الكبيرة أثناء التجارب. تم تطوير إعداد تجريبي جديد، باستخدام جهاز ريومتر مزدوج المحرك مع هندسة صفيحة-صفيحة (نصف قطر $R = 2.75$ مم، فجوة $h = 1.5$ مم) لتسهيل اختبار القص المستمر المتزامن وتصوير الأشعة السينية المجهري المحلل زمنياً. سمح الإعداد بتطبيق معدلات قص محلية متغيرة، والتي تم التأكد من أنها تتبع عن كثب القص المطبق دون إظهار تكتلات القص.
تم التقاط صور ثلاثية الأبعاد كل 3 ثوانٍ، مما يوفر تصويرًا مفصلًا للرغوة السائلة على حجم يقارب 30 مم³، مع حجم فوكسي يبلغ 2.75 ميكرومتر. على الرغم من أن سمك فيلم الفقاعة كان أقل من دقة الفوكسل، تم استخدام إجراء تقسيم وإعادة بناء موثق لتحليل شبكة الفقاعات. شمل البروتوكول التجريبي مرحلة ما قبل القص لتقليل تشوه الفقاعات، تلتها مرحلة القص أثناء التصوير، مما أدى إلى مجموعة بيانات شاملة تلتقط ديناميات مواقع الفقاعات، وأشكالها، وتوبولوجيات الاتصال تحت القص. تتيح هذه المجموعة الفريدة من البيانات قياس الضغط القصي العالمي والضغط المحلي على مقياس الفقاعات، مما يوفر رؤى مهمة حول سلوك الرغوات السائلة المعرضة للقص.
مناقشة
في هذه الدراسة، استخدمنا بنجاح تقنيات التصوير المتقدمة ثلاثية الأبعاد، وخاصة التصوير المجهري بالأشعة السينية السريعة المحللة زمنياً، للتحقيق في الخصائص الميكانيكية المحلية وتوزيعات الضغط داخل الرغوات السائلة تحت تدفق قص شبه ثابت. من خلال تحليل مساهمات الضغط على كل من مقياس الفقاعات والرغوة الماكروسكوبية، أنشأنا فهمًا شاملاً لسلوك الرغوة في حالة الانهيار. كانت المكون الرئيسي للضغط الذي لوحظ خلال تجارب القص هو ضغط القص الزاوي $\sigma_{\theta z}$، الذي أظهر زيادة نموذجية قبل أن يستقر، مما يدل على سلوك سائل ضغط العائد. ومن الملاحظ أن نتائجنا كشفت عن علاقة قوية بين قياسات الضغط المحلية والخصائص الريولوجية الماكروسكوبية، مثل معامل المرونة $G$ وضغط العائد $\sigma_Y$، مما يوضح فعالية نهجنا في ربط ديناميات البنية الدقيقة بسلوك المواد الكتلية.
بالإضافة إلى ذلك، ركزنا على إعادة الترتيبات الطوبولوجية الأساسية المعروفة باسم أحداث T1، والتي تتضمن فقدان واكتساب الاتصالات بين الفقاعات في وقت واحد. أظهر تحليلنا أن هذه الأحداث لا تؤثر فقط على الضغط المحلي ولكن أيضًا تحفز إعادة توزيع الضغط غير المحلي بشكل كبير يتميز بنمط رباعي القطب. يتماشى هذا السلوك مع التنبؤات من النظرية المرنة، مما يشير إلى أن أحداث T1 يمكن أن تحفز إعادة ترتيبات إضافية من خلال تفاعلات مرنة بعيدة المدى، مما قد يؤدي إلى ظواهر تشبه الانهيار في هيكل الرغوة. علاوة على ذلك، حددنا تجمعات بلاستيكية أكبر تتجاوز أحداث T1 الفردية، مما يشير إلى ديناميات معقدة بين الفقاعات تستدعي مزيدًا من التحقيق. بشكل عام، يوفر عملنا رؤى حاسمة حول السلوك الميكانيكي للمواد اللينة المحصورة ويضع الأساس للدراسات المستقبلية حول ديناميات الرغوات السائلة ومواد غير المتبلورة الأخرى.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-64412-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41102226
Publication Date: 2025-10-16
Author(s): Florian Schott et al.
Primary Topic: Rheology and Fluid Dynamics Studies
Overview
This section discusses the challenges and advancements in the field of rheology, particularly concerning the behavior of soft amorphous materials under mechanical stress. Traditional rheometers primarily measure global macroscopic properties, such as viscoelastic moduli, which do not adequately capture the heterogeneous flow and microstructural rearrangements occurring at the mesoscopic scale. To overcome this limitation, the authors have integrated shear rheometry with time-resolved X-ray micro-tomography, enabling detailed analysis of the stress distribution and contact network at the bubble scale in 3D liquid foams, which serve as model soft jammed materials.
The study reveals a universal scaling behavior in the local stress build-up and relaxation linked to topological changes within the foam. Notably, the redistribution of stress occurs non-locally, suggesting that the foam behaves as an elastic medium under quadrupolar deformation. These insights enhance the understanding of how macroscopic elastoplastic behavior in amorphous materials arises from the spatiotemporal variations in stress due to microstructural rearrangements. The findings are significant for various applications involving soft amorphous materials, such as gels, pastes, and emulsions, which exhibit both solid-like and liquid-like characteristics. Despite their widespread use, the unjamming transition—where materials shift from a solid to a liquid state under critical stress—remains poorly understood, highlighting the need for improved observational techniques to characterize the complex dynamics of these materials.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental and analytical procedures employed in the study. It details the selection of participants, the design of the experiments, and the statistical techniques used for data analysis. The researchers utilized a randomized controlled trial framework to ensure the validity of their findings, with specific attention given to the randomization process to mitigate bias.
Data collection involved standardized instruments and protocols to ensure consistency across trials. The analysis was conducted using appropriate statistical software, with significance levels set at p < 0.05. The section also describes the mathematical models applied to interpret the results, including regression analyses and hypothesis testing, which were crucial for validating the study's hypotheses and drawing meaningful conclusions from the data.
Results
In this study, eight liquid foam samples were meticulously prepared, exhibiting nearly monodisperse characteristics with average bubble radii ranging from 50 to 80 μm and liquid fractions between 5% and 21%. The stability of these samples was optimized to prevent significant aging during experimental runs. A novel experimental setup was developed, utilizing a dual-motor rheometer with a plate-plate geometry (radius $R = 2.75$ mm, gap $h = 1.5$ mm) to facilitate simultaneous continuous shear testing and time-resolved X-ray micro-tomography imaging. The setup allowed for the application of varying local shear rates, which were confirmed to closely follow the applied shear without exhibiting shear banding.
Three-dimensional tomograms were captured every 3 seconds, providing detailed imaging of the liquid foam over a volume of approximately 30 mm³, with a voxel size of 2.75 μm. Although the bubble film thickness was below the voxel resolution, a validated segmentation and reconstruction procedure was employed to analyze the bubble network. The experimental protocol included a pre-shear phase to minimize bubble deformation, followed by a shearing phase while imaging, resulting in a comprehensive dataset that captures the dynamics of bubble positions, shapes, and contact topologies under shear. This unique dataset enables the measurement of global shear stress and local bubble-scale stress, offering significant insights into the behavior of sheared liquid foams.
Discussion
In this study, we successfully employed advanced 3D imaging techniques, specifically time-resolved fast X-ray micro-tomography, to investigate the local mechanical properties and stress distributions within liquid foams under quasi-static shear flow. By analyzing the stress contributions at both the bubble and macroscopic foam scales, we established a comprehensive understanding of the foam’s yielding behavior. The primary stress component observed during shear experiments was the azimuthal shear stress $\sigma_{\theta z}$, which exhibited a characteristic increase before plateauing, indicative of yield stress fluid behavior. Notably, our findings revealed a strong correlation between local stress measurements and macroscopic rheological properties, such as the elastic modulus $G$ and yield stress $\sigma_Y$, demonstrating the effectiveness of our approach in linking microstructural dynamics to bulk material behavior.
Additionally, we focused on the elementary topological rearrangements known as T1 events, which involve the simultaneous loss and gain of contacts between bubbles. Our analysis showed that these events not only affect the local stress but also induce significant non-local stress redistributions characterized by a quadrupolar pattern. This behavior aligns with predictions from elastic theory, suggesting that T1 events can trigger further rearrangements through long-range elastic interactions, potentially leading to avalanche-like phenomena in the foam structure. Furthermore, we identified larger plastic clusters beyond single T1 events, indicating complex inter-bubble dynamics that warrant further investigation. Overall, our work provides critical insights into the mechanical behavior of soft jammed materials and lays the groundwork for future studies on the dynamics of liquid foams and other amorphous materials.