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柔软物质和液体

柔软物质和液体

蜂拥而至的火蚁显示固体和液体性质

28 Oct 2015
保持活力和漂浮:火蚂蚁木筏

 

在宏观规模上,消防蚂蚁的聚集可以显示出一些令人惊讶的古典物质性质,例如粘弹性和流量,美国的研究人员已经证明。研究给出了,他们说,一个令人着迷的例子“active matter” - 其中各个元素能够使用能量和重新排列自己 - 并且可能提供对开发新材料的见解。

已知消防蚂蚁以其组织成显着的宏观结构的能力。它们可以将双腿连接在一起,进入弹性固体,可以抵抗宏观施加的载荷或自组装成筏以存活洪水。他们也被视为形成液体状的聚集,在一个显着的情况下“dripping” from a tap. “很多人都看过蚂蚁作为生物实体,” explains physicist Michael Tennenbaum. 亚特兰大佐治亚理工学院的研究。“但没有人曾经看过蚂蚁作为材料。”

蚂蚁体操

在最新的工作中,Tennenbaum和同事研究了这种聚集的各种宏观性质。它们位于蚂蚁的聚合之上并计算了铅球并计算过聚合’通过测量球体沉过的速度来通过测量速度来粘度。接下来,研究人员将流变仪内的聚集放置在涂有魔术贴的两块板之间。蚂蚁紧紧地抓住了魔术贴,这意味着板之间的旋转可以通过聚集的剪切来实现。然后研究人员将可变胁迫施加到板上,发现类似 - 虽然不相同 - 粘度。如预期的那样,他们还发现,施加更大的压力导致板之间的旋转(剪切)较快,但这种关系很复杂。

例如,在相对低的剪切处,需要更大的应力增加以产生相同的剪切增加;虽然在高速率下,可以通过较小的压力增加来实现剪切的增加。在古典物理学的语言中,聚集的粘度随着剪切增加而降低。在常规的粘弹性材料中通常观察到称为剪切变薄的这种现象。“如果你用果冻做了这个实验,你会在真正小的菌株中获得非常有弹性的行为,但是在大菌株中你会流动,”Tennenbaum说。然而,在微观的基础上,聚集是与传统的粘弹性材料类似的。

玩死了

无论是否在压力下,蚂蚁都在聚集内连续地移动。在尝试抵抗施加的压力时,蚂蚁首先互相抓住’S四肢,从而通过其关节的运动来消散应变能。必要时,他们放开蚂蚁,他们不能安全地坚持并抓住抓住其他蚂蚁。在较高的旋转速率下,聚集剪切比蚂蚁可以重新排列以抵抗所施加的应力 - 在这种情况下,蚂蚁“play dead”,躺着并允许它们的肢体彼此随机缠绕,从而产生恒定的抵抗力为约70Pa的流量。

实际上,当研究人员试图用死蚂蚁试验时,聚集体显示出类似的抗流量,以高旋转速率,但它没有显示出小菌株的弹性行为。然而,蚂蚁确实表明了一些在常规问题中不会看到的行为。例如,在低于70Pa的应力下,蚂蚁有时会主动地抵抗剪切一次,产生非常僵硬的聚集体。然后,因为没有明显的原因,他们放弃了并允许自己流动。然而,在一段时间流动之后,它们再一次抵抗流量。

积极的系统

该团队现在正在努力迈向一种显微照片,为什么发生这种情况,但是 大卫湖,谁是团队中的主要调查人员之一,这是“蚂蚁改变他们的思想”。根据他,研究是更大努力的一部分“真的了解活动系统如何制作新型材料”. “蚂蚁可以保持压力足以让他们建造一个木筏来支持成千上万的成员,这是一个壁虎’S 30楼高 - 蚂蚁或桥梁;但是,当事情变得艰难时,他们可以液化,” says Hu.

大卫维茨 在马萨诸塞州的哈佛大学没有参与新工作,描述了研究“有趣,非常有趣”,补充说这些是达到的一些结果“将古典材料科学技术应用于这样的生物系统”。然而,他说这项工作的最终意义将取决于“通过跟进这一询线,人们可以做些什么 ”.

该研究发表在 自然材料.

版权©2021由IOP Publishing Ltd和个人贡献者