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Tipo: Dissertação
Título: Regime de arrasto sublinear em escalas mesoscópicas de materiais viscoelásticos
Autor(es): Ferreira, Antônio Edinaldo de Oliveira
Orientador: Oliveira, Cláudio Lucas Nunes de
Coorientador: Araújo, Jorge Luiz Bezerra de
Palavras-chave: Dinâmica molecular;Microscopia de força atômica;Material viscoelástico;Regimes de arrasto sublinear
Data do documento: 2022
Citação: Ferreira, A. E. de O. Regime de arrasto sublinear em escalas mesoscópicas de materiais viscoelásticos. 82 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2022.
Resumo: Os materiais macios geralmente apresentam relaxações viscoelásticas de forma exponencial ou em lei de potência. Embora as respostas mecânicas sejam relevantes para determinar possíveis aplicações e projetar novos materiais, as origens desses comportamentos macroscópicos em termos de suas interações e composições em pequena escala ainda não estão claras. Neste trabalho, nós propomos um modelo de macromoléculas dispostas em uma rede imersa em um fluido viscoso, semelhante a soluções coloidais ou poliméricas. As macromoléculas interagem elasticamente com os vizinhos da rede (com uma constante de mola $k$) e com o fluido através de um regime de arrasto não linear. Mais especificamente, a força dissipativa é dada por $\gamma v^{\alpha}$, onde $\gamma$ é um coeficiente constante, $v$ é a velocidade da macromolécula e $\alpha$ um expoente. Utilizando simulações de dinâmica molecular, nós realizamos numericamente ensaios de indentação e reproduzimos curvas de força com assinaturas viscoelásticas da amostra como aquelas obtidas em microscopia de força atômica. Nós aplicamos análises estatísticas e de dados com técnicas de aprendizado de máquina para classificar cada material viscoelástico (representado pelo conjunto de parâmetros $k$, $\gamma$, $\alpha$) como um comportamento exponencial ou lei de potência. Nós descobrimos que, para materiais não puramente elásticos, nem muito \emph{soft matter}, o expoente $\alpha$ descreve completamente o tipo de relaxamento macroscópico. Nossos resultados mostram que o regime de arrasto linear ($\alpha\approx 1$) recupera materiais de relaxação exponencial, que pode ser descrito pelo modelo sólido padrão linear. No entanto, a resposta da rede apresenta relaxações em lei de potência em regimes de arrasto sublinear ($\alpha\approx 0.5$). Fisicamente, o regime sublinear das forças de arrasto está relacionado às microdeformações das macromoléculas, enquanto $\alpha=1$ representa o caso rígido. Portanto, nossos resultados sugerem que as deformações em escala mesoscópica são responsáveis pelas respostas reológicas do material, ou seja, as relaxações exponenciais e de lei de potência.
Abstract: Soft materials usually present exponential or power-law viscoelastic relaxations when stressed. Although the mechanical responses are relevant to determine possible applications and design new materials, the origins of these macroscopic behaviors in terms of their small-scale interactions and compositions are still unclear. Here, we propose a model of macromolecules arranged in a lattice immersed in a viscous fluid, similar to colloidal and polymeric solutions. The macromolecules interact with their neighbors in the network (with a spring interaction $k$) and fluid through a non-linear drag regime. More specifically, the dissipative force is given by $\gamma v^{\alpha}$, where $\gamma$ is a constant coefficient, $v$ is the speed of the macromolecule, and $\alpha$ an exponent. Using molecular dynamics simulations, we perform numerical indentation assays and reproduce viscoelastic signatures in the force curves of the sample as those obtained in atomic force microscopy. We apply statistical and data analyses with machine learning techniques to classify each viscoelastic material (represented by the set of parameters $k$, $\gamma$, $\alpha$) as exponential or power-law behavior. We find that, for materials not so soft, not purely elastic, the exponent $\alpha$ completely describes the type of macroscopic relaxation. Our results show that the linear drag regime ($\alpha\approx 1$) recovers exponential relaxation materials, which can be described by the so-called linear standard solid model. However, the network response presents power-law relaxations in sublinear drag regimes ($\alpha\approx 0.5$). Physically, the sublinear regime of the drag forces is related to micro-deformations of the macromolecules, while $\alpha=1$ represents the rigid case. Therefore, our results suggest that mesoscopic-scale deformations are responsible for the material rheological responses, namely, the exponential and power-law relaxations.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/64231
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