Секреты смятого листа: механизм медленных релаксаций в беспорядочных системах

Смятый лист бумаги — это не просто отход, который можно выбросить в мусорное ведро. Это уникальная сложная система, которая обладает удивительными механическими свойствами и может помочь понять физику беспорядочных систем, таких как стекла, полимеры и коллоиды. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, ученые из Тель-Авивского университета использовали смятые листы, чтобы раскрыть механизм медленных релаксаций и физического старения, который долгое время оставался загадкой для физиков.

Беспорядочные системы — это системы, в которых элементы расположены хаотично и не образуют правильных структур, как в кристаллах. Такие системы имеют особые свойства, которые делают их важными в различных областях науки и технологии. Например, стекла — это беспорядочные твердые вещества, которые образуются при быстром охлаждении расплавов. Стекла имеют высокую прочность, прозрачность и теплоизоляцию, но также очень хрупки и подвержены трещинам. Полимеры — это длинные молекулы, состоящие из повторяющихся звеньев, которые могут образовывать различные формы и материалы, такие как пластик, резина и волокна. Полимеры имеют широкий спектр свойств, в зависимости от их химического состава, температуры и внешних воздействий. Коллоиды — это смеси мелких частиц, распределенных в другой среде, такие как молоко, кровь и гели. Коллоиды имеют сложное поведение, которое зависит от размера, формы и взаимодействия частиц.

Одним из ключевых вопросов, интересующих физиков, является то, как беспорядочные системы релаксируют, то есть стремятся к состоянию равновесия, в котором их энергия минимальна. В отличие от упорядоченных систем, беспорядочные системы имеют очень сложный энергетический ландшафт, состоящий из множества локальных минимумов, называемых метастабильными состояниями. Для того, чтобы перейти из одного метастабильного состояния в другое, система должна преодолеть энергетический барьер, что требует времени и внешнего воздействия. Поэтому беспорядочные системы релаксируют очень медленно и могут застревать в неравновесных состояниях на длительные периоды времени. Это явление называется физическим старением, так как система постепенно меняет свои свойства с течением времени, как стареющий организм.

Физическое старение проявляется в различных беспорядочных системах, но его микроскопические механизмы плохо поняты. Для того, чтобы изучить это явление, ученые использовали простую и доступную систему: смятый лист тонкой пленки из полиэтилентерефталата (ПЭТ), который помещали под постоянную нагрузку. Они измеряли, как меняется объем смятого листа с течением времени, и регистрировали акустические сигналы, возникающие при его деформации. Они обнаружили, что смятый лист продолжает сжиматься под нагрузкой без видимого приближения к равновесию. Скорость сжатия замедляется логарифмически со временем, то есть каждый следующий шаг сжатия требует в десятки раз больше времени, чем предыдущий. Это поведение согласуется с экспериментами, проведенными более 20 лет назад, но до сих пор не имеющими удовлетворительного объяснения.

Ученые также провели численное моделирование смятого листа, представляя его как сеть из упругих связей, которые могут менять свою длину между двумя значениями, соответствующими гладкому и сморщенному состоянию. Они показали, что замедление логарифмической релаксации обусловлено простым механизмом: перед каждым шагом сжатия одна из связей оказывается на грани неустойчивости, близко к переходу между своими длинами. Переход срабатывает под воздействием шума в стохастическом процессе, вызывая лавину переходов в других связях. Эти лавины соответствуют акустическим сигналам, которые называются трещинным шумом. Трещинный шум характеризуется тем, что он состоит из дискретных событий, имеющих широкое распределение амплитуд. Такие особенности часто возникают, когда на систему с бистабильными элементами действует внешняя сила.

Этот механизм может быть обобщен на другие беспорядочные системы, в которых элементы имеют два или несколько стабильных состояний, и переход между ними происходит под влиянием шума. Такие системы называются системами с бистабильными или мультстабильными элементами. Примерами таких систем могут быть полимеры, в которых молекулы могут находиться в разных конформациях, или коллоиды, в которых частицы могут образовывать разные кластеры. В этих системах медленная релаксация и физическое старение могут быть связаны с лавинными переходами между метастабильными состояниями, вызванными шумом.

Исследование смятого листа показывает, как простая и знакомая система может раскрыть секреты более сложных и загадочных систем.