[論文レビュー] Ductile-to-brittle transition and yielding in soft amorphous materials: perspectives and open questions

Thibaut Divoux, Elisabeth Agoritsas+38 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2023

Rheology and Fluid Dynamics Studies被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、2023年のLorentzセンターでのワークショップの知見を統合し、軟らかく非晶質な材料における延性〜破壊転移および変形下での降伏に関する焦点を当てている。実験的・数値的・理論的研究における未解決の問題についての包括的合成を提示しており、微細構造の進化、記憶効果、およびゲル、エマルジョン、スラリーなどの材料における粘弾性と不可逆的流れの相乗的相互作用を強調している。

ABSTRACT

Soft amorphous materials are viscoelastic solids ubiquitously found around us, from clays and cementitious pastes to emulsions and physical gels encountered in food or biomedical engineering. Under an external deformation, these materials undergo a noteworthy transition from a solid to a liquid state that reshapes the material microstructure. This yielding transition was the main theme of a workshop held from January 9 to 13, 2023 at the Lorentz Center in Leiden. The manuscript presented here offers a critical perspective on the subject, synthesizing insights from the various brainstorming sessions and informal discussions that unfolded during this week of vibrant exchange of ideas. The result of these exchanges takes the form of a series of open questions that represent outstanding experimental, numerical, and theoretical challenges to be tackled in the near future.

研究の動機と目的

• 軟らかく非晶質な材料における降伏および延性〜破壊転移を理解する上で未解決の課題を特定し、統合すること。
• これらの材料の力学的応答における微細構造、履歴依存性、境界条件の役割を検討すること。
• ソフトマターの流れ動力学において、実験的観察、数値シミュレーション、理論的モデルの間のギャップを埋めること。
• 不規則な材料における流れ停止後に続く記憶効果および老化現象が、どのように持続するかを強調すること。
• 複数スケールおよび複数分野にわたる重要な未解決の課題を提示することで、今後の研究を導くこと。

提案手法

• 2023年1月9日〜13日、Lorentzセンターで開催された1週間のワークショップ中のブレインストーミングセッションおよび非公式な議論から得られた知見を統合した。
• 軟らかく非晶質な材料における降伏および延性〜破壊転移に関する、既存の実験的・数値的・理論的研究をレビューした。
• 微細構造が不規則で階層的であるエマルジョン、ゲル、マイクロゲル、高濃度スラリーを含む材料に焦点を当てた。
• 非平衡ダイナミクス、老化、および粘弾性固体における時間依存的緩和の役割を強調した。
• 準備履歴、境界条件、封じ込め幾何学的形状といった重要な変数が、転移行動に与える影響を特定した。
• 単一の理論的フレームワークやモデルを提示するのではなく、構造化された未解決の研究課題のセットに統合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微細構造的特徴および準備プロトコルは、軟らかく非晶質な材料における延性〜破壊転移にどのように影響を与えるか？
• RQ2 過去の流れ履歴に起因する記憶効果は、流れ停止後の力学的応答をどの程度決定づけるか？
• RQ3 不規則な材料における降伏転移において、階層的構造と長距離相互作用が果たす役割は何か？
• RQ4 境界条件および封じ込め幾何学的形状は、降伏転移の性質をどのように変化させるか？
• RQ5 降伏の前後における非平衡ダイナミクスを記述するための理論的および計算的フレームワークは、どのようなものが必要か？

主な発見

• 軟らかく非晶質な材料における降伏転移は、準備履歴、微細構造、境界条件に強く依存しており、変動する延性または破壊的挙動を示す。
• 流れ停止後も記憶効果が持続し、力学的特性に顕著な影響を及ぼしており、これらの系における非マルコフ的ダイナミクスを示唆している。
• 老化および緩和過程が完全な平衡状態の達成を妨げ、時間依存的弾性率および複雑な流れ応答を引き起こしている。
• せん断下における固体から液体への転移は普遍的ではなく、エネルギー障壁、構造的緩和、外部荷重プロトコルの相互作用に依存する。
• 不規則な材料における降伏の前段階の非平衡ダイナミクスを記述する統一的理論フレームワークが依然として不足している。
• 微細構造の降伏過程における進化を予測するモデルの開発、および階層的構造が転移挙動に与える影響の定量化という、未解決の課題が残っている。