ルパート王子の滴：熱応力による断片化の分析とガラスと泡のガラスのクエンチ粒子化

火山の噴火が外水（水輸液）との相互作用を伴う場合、2022年1月のトンガ噴火によって劇的に示されているように、結果は灰に富んだエネルギーの火山プルームになります。これらのイベントの高爆発エネルギーの起源は、重要な問題のままです。私たちは、溶融ガラスを水に滴下することによって形成されたプリンスルパートのドロップ（PRD）のタッドポール型ガラスビーズを研究することでこの質問を調査します。壊れています。爆発的な断片化によって生成されるフラグメントサイズ分布（FSD）は、空気、水、およびシロップのPRD断片化とともに体系的に変化することを示します。ほとんどのFSDは、サイズの範囲の大部分にわたってフラクタルであり、マイクロコンピューティング断層撮影の3次元画像で観察される繰り返し骨折分岐によって説明できるスケーリングです。構成要素フラグメントの形状は、元のPRD内の位置によって決定され、外側（圧縮）シェルから形成され、内部のボイドに垂直な骨折によって形成されたブロック状の断片が形成されます。溶融滴がPRDを形成できない場合、ガラスは顆粒を消光することにより崩壊します。これは、フラクタルFSDを生成するが、爆発的に生成されたフラグメントよりも中央値が大きいプロセスです。重大なことに、溶融ガラスに泡を追加すると、PRDの形成が防止され、クエンチの顆粒が促進され、突然の冷却と収縮中に泡の周りに形成された不均一なストレス場によって肉食が調節されることが示唆されます。一緒に、これらの観察結果は、ガラスの断片化と、潜在的に、水球流症の間に動作する潜在的なプロセスに関する洞察を提供します。

When volcanic eruptions involve interaction with external water (hydrovolcanism), the result is an ash-rich and energetic volcanic plume, as illustrated dramatically by the January 2022 Tonga eruption. The origin of the high explosive energy of these events remains an important question. We investigate this question by studying Prince Rupert's Drops (PRDs)-tadpole-shaped glass beads formed by dripping molten glass into water-which have long fascinated materials scientists because the great strength of the head contrasts with the explosivity of the metastable interior when the tail is broken. We show that the fragment size distribution (FSD) produced by explosive fragmentation changes systematically with PRD fragmentation in air, water, and syrup. Most FSDs are fractal over much of the size range, scaling that can be explained by the repeated fracture bifurcation observed in three-dimensional images from microcomputed tomography. The shapes of constituent fragments are determined by their position within the original PRD, with platey fragments formed from the outer (compressive) shell and blocky fragments formed by fractures perpendicular to interior voids. When molten drops fail to form PRDs, the glass disintegrates by quench granulation, a process that produces fractal FSDs but with a larger median size than explosively generated fragments. Critically, adding bubbles to the molten glass prevents PRD formation and promotes quench granulation, suggesting that granulation is modulated by heterogeneous stress fields formed around the bubbles during sudden cooling and contraction. Together, these observations provide insight into glass fragmentation and potentially, processes operating during hydrovolcanism.