Estudo das propriedades físicas de estruturas heterogêneas de arames em cavidades bidimensionais

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DATA DE PUBLICAÇÃO

2006

RESUMO

Através de experimentos, de simulações computacionais e de teoria de escala, é estudado nesta tese diversos aspectos físicos de uma nova estrutura heterogênea bidimensional formada pela injeção contínua de fios metálicos de cobre e de liga de estanho e chumbo em cavidades planas circulares. Os experimentos levam à formação de padrões complexos sem simetrias evidentes, mas fortemente controlados por interações de auto-exclusão e descritos por leis de escala robustas. À medida que o comprimento do fio injetado na cavidade cresce, a estrutura confinada de arame torna-se lentamente mais rígida, até que a densidade média das interações de auto-exclusão alcança um limiar, levando a uma instabilidade na injeção do fio, com a subseqüente limitação da fração máxima de ocupação da cavidade a um valor sensivelmente menor do que a unidade, o qual depende da razão entre os módulos de cisalhamento e de Young do fio. Propriedades estatísticas e geométricas dos padrões de cobre são estudadas como uma função do comprimento L do fio injetado na cavidade, enquanto as propriedades mecânicas das estruturas dos fios de liga são estudadas em termos de deformações plásticas axiais. A dimensão fractal desses sistemas obedece a uma relação de escala do tipo M ~ RD, onde M é a massa (ou área projetada) do fio dentro de um círculo de raio R, e D = 1,90,1, independentemente do material ter sofrido transformações plásticas ou não. O comprimento transversal x das configurações de fios da liga SnyPb1-y deformadas axialmente é encontrado experimentalmente e depende da deformação d da estrutura como x ~ (1 -d)-x, com x = 0,500,15. Esses resultados são estudados teoricamente à luz de modelos de blobs tipo-de Gennes. A influência da presença de obstáculos na injeção de fios de liga foi estudada quando n objetos da mesma espessura do fio injetado eram diluídos na cavidade. A taxa máxima de ocupação da cavidade nesse caso decai com a lei de potência p ~ n-b, com b = 0,600,05 ao longo de efetivamente três ordens de grandeza em n. Um estudo dessa última relação de escala baseado em métodos heurísticos permite estimar teoricamente o expoente b como sendo b = 0,50. Observamos também que no limite de máxima ocupação para as configurações de fios de cobre, a distância quadrática média para caminhadas aleatórias de N passos executadas sobre essas estruturas mostra uma dependência em lei de potência do tipo ~ Na, onde a = 2/dw = 0,660,01. Portanto, o expoente controlando a difusão assume o valor anômalo dw = 3,030,05. Finalmente, utilizamos um método para medir a dimensão do conjunto onde a energia é dissipada ou armazenada no dobramento de fios dentro da cavidade. Nossos resultados dessas medidas são comparados com uma estimativa baseada na teoria de Flory para polímeros. Ao longo de toda a tese, a estrutura heterogênea de fios é comparada com a de outros sistemas bidimensionais bem estudados e de grande interesse físico e aplicado, como caminhadas aleatórias, agregados de percolação, empacotamento de discos, entre vários outros.

ASSUNTO(S)

matéria - propriedades física física estatística fios amassados difusão anômala empacotamento bidimensional fisica da materia condensada

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