Varför börjar laviner att glida? Och vad händer inne i ”snöhögen”? Om du ställer dig dessa frågor är du mycket nära ett fysikaliskt problem. Detta fenomen uppstår inte bara på bergstoppar och i snömassor, där det är ganska okontrollerat – det studeras också i laboratoriet på mikroskopisk nivå i material med en oordnad partikelstruktur, till exempel i glas, granulära material eller skum.
Partiklar kan ”glida” på ett liknande sätt som laviner, vilket gör att strukturen förlorar sin stabilitet och blir deformerbar, även oberoende av en temperaturförändring. Men vad händer inne i en sådan skakig struktur?
Fysikern Matthias Fuchs från University of Konstanz och hans kollegor Florian Vogel och Philipp Baumgärtel forskar om dessa oordnade fasta ämnen. För två år sedan löste de ett gammalt pussel om glasvibrationer genom att återuppta en bortglömd teori. ”Nu har vi fortsatt projektet för att besvara frågan om när ett ”oregelbundet korthus” kollapsar. Vi vill ta reda på när ett amorft fast ämne förlorar sin stabilitet och börjar glida som en sandhög”, säger Fuchs.
Baserat på ERM-modellerna (Euclidean random matrix) har forskarna upptäckt reglerna bakom denna stabilitetsförlust och utvecklat en teori för att beskriva – och förutsäga – processen. De observerade effekterna är relevanta för att producera material med förbättrade egenskaper, särskilt för granulära system och skum.
Som en låda full av byggstenar
Föreställ dig insidan av ett fast ämne, dvs. dess molekylära partikelstruktur, som en låda full med byggstenar. Byggstenarna kan vara staplade i prydliga rader och stödja varandra. Det är så ordnade fasta ämnen ser ut. Eller så slängs klossarna slarvigt i lådan, vilt blandade och med luckor emellan – men ändå fastkilade i varandra, vilket ger dem en viss stabilitet. Så är fallet med oordnade fasta ämnen.
Om du skakar lådan kommer de prydligt staplade byggklossarna inte att röra sig så mycket. Klossarna sitter ”stadigt på plats”, stabiliserar varandra och återgår till sin ursprungliga position efter mindre vibrationer. Den röriga lådan är å andra sidan en annan historia. Det är ett virrvarr av byggklossar, med tomma utrymmen mellan dem. Detta ger de enskilda klossarna större utrymme att inta en annan position.
Med tillräckligt mycket skakningar destabiliseras fler och fler av de bärande pelarna tills hela stapeln av byggstenar till slut kollapsar. Frågan är: Vid vilken tröskel inträffar detta – och vad händer egentligen inuti lådan?
En titt inuti lådan
Naturligtvis är det inte byggstenar som Konstanzfysikerna är intresserade av. De vill svara på frågan om när oordnade fasta ämnen förlorar sin molekylära stabilitet. För att undersöka fenomenet skakar Fuchs och hans team inte den symboliska ”lådan” från utsidan, utan genererar vibrationer inuti partikelsystemet. De säkerställer också att det inte finns någon gravitation som kan förstöra den instabila strukturen, och de kontrollerar den rumsliga expansionen av ”styva områden”.
Vad händer med molekylstrukturen när fler och fler av de stabiliserande kopplingarna bryts? Vid vilket tröskelvärde sker övergången från stabilitet till ”glidning”? Hur stora är klustren av lösa partiklar som inte är fästa vid en fast struktur? Vilka regler kan härledas från detta?
”Våra analyser visar att stabiliteten i systemet går förlorad vid en punkt där vibrationer med låg frekvens nära noll uppstår. Det är där ljudhastigheten försvinner”, förklarar Vogel, försteförfattare till artikeln som publicerats i Physical Review X. ”Materialstrukturen är nu formbar: När partiklarna utsätts för en kraft återgår de inte längre elastiskt till sin ursprungliga position, utan börjar glida. I detta lösa tillstånd rör sig partiklarna i kluster av ökande storlek.”
För övrigt spelar temperaturförändringar ingen roll i denna process. Det här projektet handlar alltså inte om att värma upp ett fast ämne tills det når ett flytande aggregationstillstånd. Förlusten av stabilitet sker vid en konstant temperatur och orsakas av att de stabiliserande kopplingarna försvagas.
Konstanz-forskarnas teori och simuleringar gäller t.ex. molekylära fasta ämnen vid en temperatur nära den absoluta nollpunkten på -273°C eller bulkmaterial som sand eller jord, där termiska fluktuationer är försumbara.
Projektet kommer att fortsätta i yttre rymden: Experimentet GraSCha (Granular Sound Characterization) kommer att testa teorin på den internationella rymdstationen (ISS) under tyngdlöshet hösten 2025; det är inrättat av German Aerospace Center (DLR) i Köln.
Mer information om projektet: Florian Vogel et al, Self-Consistent Current Response Theory of Unjamming and Vibrational Modes in Low-Temperature Amorphous Solids, Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/PhysRevX.15.011030
