海岸を散歩するとき、私たちは砂の上を問題なく歩きます。砂は固体のように見え、圧縮するのが困難です。同じ砂粒を砂時計に入れると、砂は液体のように流れます。
砂などの粒状物質には、多くの興味深い特性があります。研究室で製造された粒状材料では、科学者はこれまでのところ、その「液体」の流動特性を微調整することができていますが、「固体」の圧縮率特性はかなり安定したままです。
アムステルダム大学とチリのサンティアゴ大学の研究者らは、容易に圧縮できる新しい粒状材料の設計に成功し、その結果、衝撃緩和などの用途に大きな可能性が期待できる。
テトラポットは、海岸構造物の浸食を防ぐ巨大な 4 本足のコンクリート ブロックで、日本の海岸沿いでどこでも見つけることができます。これらのテトラポッドは一緒になって粒状のメタマテリアルを形成します。これは砂のような粒状のマテリアルですが、人間によって設計および作成されています。テトラポッドの形状には正当な理由があります。脚が伸びているため、これらのブロックの山が流れるのが非常に困難になります。通常の岩とは対照的に、それらはその場所に留まり、その結果、海岸線の変化を防ぐという本来の目的を果たします。
四足動物の例は、ほぼ非圧縮性で、砂よりもはるかに流れが悪い粒状システムを作るのが比較的簡単であることを示しています。その対極にあるのは、圧縮が容易で、砂よりも流動性の高い材料を作成するのが非常に難しいことが判明しました。
アムステルダムとサンティアゴの研究者の研究により、 米国科学アカデミー紀要 今週、この状況は変わり、非常に興味深い機会が開かれています。
この出版物の筆頭著者である Daan Haver 氏は、次のように説明しています。たとえば、ゴムバンドを伸ばすと、通常、ゴムバンドが薄くなることが予想されます。
「これまでの研究で、研究者らは純粋に材料の形状に基づいて、伸ばされたときではなく圧縮されたときに薄くなる材料を作る方法を示しました。この例は、マテリアルのプロパティを調整できることを示しています。私たちは、このアイデアを粒状材料の調整にも利用できないかと考えていました。」
研究者らは研究室で、外圧がかかると放射状に収縮する粒子を作成した。これは、これらの粒子の充填物が圧縮されても、粒子間の自由空間の量はほぼ同じままであり、その結果、粒子の流動挙動は液体の流動挙動と同様のままであることを意味します。
ヘイバー氏は次のように述べています。「媒体内部の力は低いままです。したがって、パッキンは圧縮性が高いだけでなく、流動性も向上します。穀物を漏斗に入れます。通常、粒子は邪魔な弧を形成します。しかし、粒子が開口部のサイズに対して収縮すると、最終的に粒子は流れてしまいます。
「粒状材料は圧縮が難しく、粒子に変化を与えると流動特性が悪化すると常に考えられていました。新しい粒子を使用することで、圧縮が容易でありながら容易に流動する、まったく異なるパッキンを作成できる方向性が開かれました。」
衝撃減衰
新しい結果は、衝撃緩和において大きな可能性を秘めている可能性があります。研究者らは、金属円盤を新しい粒子の詰め物に落とすと、長期間にわたって速度が低下し、ほとんど跳ね返らないことを示した。したがって、ディスクの運動エネルギーはより一貫して均一にパッキンに伝達されます。
ヘイバー氏は、「金属の円盤の代わりに、誰かがスピードスケートのレースで落ちることを想像してみてください。クッション内部に新粒子を使用すれば、壁にぶつかった際のスケーターへの衝撃も少ないでしょう。大きな利点として、その人がコース上に跳ね返されることがなくなり、関係者全員にとって状況がより安全になります。」