[논문 리뷰] Giant fluctuations in the flow of fluidised soft glassy materials: an elasto-plastic modelling approach

Goff, Magali Le, Bertin, Eric외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 58인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 외부 기계적 노이즈가 연성 유리성 물질에서 유동화를 유도하는 방식을 미세구조 탄성-플라스틱 모델을 사용하여 조사하며, 비단조화적(유변대칭)에서 단조적(균일한) 유동 률의 일반적인 전이를 드러낸다. 핵심 발견은 거대한 변동과 비평형 역학을 특징짓는 임계 지수들이 노이즈 모델에 영향을 받지 않으며, 노이즈 강도에 의해 유도되는 보편적인 상전이임을 시사한다.

ABSTRACT

In this work we study the rheological features of yield stress materials that exhibit non-homogeneous steady flows and that are subjected to an additional mechanical noise. Using a mesoscale elasto-plastic model accounting for a viscosity bifurcation in the flow response to an external shear stress, we find that additional sources of noise can lead to a fluidisation effect. As we increase the noise intensity we evidence a transition from a non-monotonic to a monotonic rheology, associated with giant fluctuations of the macroscopic shear rate and long-time correlated dynamics. Although distinct noise models can lead to different rheological behaviours in the low stress regime, we show that the noise-induced transition from shear-localised to homogeneous flow at higher stresses appears very generic. The observed features in the dynamics can be interpreted as a result of an out-of-equilibrium phase transition, for which we estimate the critical exponents that appear to be independent of the specific choice of the noise implementation for the microscopic dynamics.

연구 동기 및 목표

• 외부 기계적 노이즈가 유응력 물질의 유변학에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 노이즈가 내재된 자가유동화 메커니즘과 어떻게 경쟁하는지 조사하기 위해.
• 유변대칭에서 균일한 유동으로의 전이가 다양한 노이즈 모델 간에 보편적인지 확인하기 위해.
• 이 전이와 관련된 임계 행동과 변동을 특성화하기 위해.

제안 방법

• 탄성 응력 전파를 위해 Eshelby 전파자와 함께 미세구조 탄성-플라스틱 모델(EPM)을 사용하였다.
• 두 가지 다른 외부 노이즈 모델을 구현하였다: 하나는 국소 응력에 비례하는 노이즈이고, 다른 하나는 국소 변형률 속도에 비례하는 노이즈이다.
• 고정된 응력 또는 변형률 조건 하에서 정 steady-state 유동을 시뮬레이션하였다.
• macroscopic 유변률 변동, 상관 시간, 그리고 비율 스킴을 분석하였다.
• 임계 지수를 추출하기 위해 데이터를 랑도 유사 전개에 적합시켰다.
• 노이즈 모델과 시스템 크기 간의 임계 행동을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 기계적 노이즈는 연성 유리성 물질에서 비단조화적 흐름에서 단조적 흐름으로의 전이를 유도하는가?
• RQ2 다양한 외부 노이즈 구현 방식은 낮은 응력에서의 유변학적 반응에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 유변대칭에서 균일한 유동으로의 전이는 노이즈 모델 간에 보편적인가?
• RQ4 비평형 상전이를 특성짓는 임계 지수는 무엇인가?
• RQ5 임계 지수는 미세구조적 노이즈 구현 방식에 독립적인가?

주요 결과

• 외부 노이즈는 시스템을 비단조화적 흐름에서 단조적 흐름 곡선으로 이동시키는 유동화 효과를 유도한다.
• 다양한 노이즈 모델 간에 유변대칭에서 균일한 유동으로의 전이는 보편적이며, 낮은 응력에서의 별개의 유변학적 거동에도 불구하고 그렇다.
• 전이점 근처에서 매크로스코픽 유변률의 거대한 변동과 장시간 상관된 역학이 나타난다.
• 변동의 분산과 상관 시간에 대한 임계 지수는 노이즈 모델 간에 일관되며, 이는 보편성을 시사한다.
• 랑도 유사 적합은 노이즈 구현 방식에 독립적인 연속적인 상전이를 확인한다.
• 관측된 역학은 보편적인 스케일링 행동을 갖는 비평형 상전이로 해석된다.