Computermodel forudsiger, hvordan brud på metallisk glas frigiver energi på atomniveau

Når metalliske glas udsættes for mekanisk belastning, kan de hurtigt frigive deres energi på en "skør" måde - hvilket betyder, at de går i stykker uventet uden tydelige tegn på deformation eller advarsel. Denne adfærd er i modsætning til mange andre materialer såsom stål eller træ, der "plastisk" deformeres, hvor materialet ændrer form permanent, inden det går i stykker.

At forstå, hvordan energi frigives i metalliske glas, har været en stor udfordring inden for materialevidenskab, til dels fordi strukturerne af disse materialer er ekstraordinært komplicerede. I modsætning til traditionelle metaller, der har regelmæssige, krystallinske strukturer, har metalliske glas en uordnet, væskelignende struktur, ofte omtalt som en "frossen væske".

Gruppen ledet af Matthew L. Wallach, en ph.d.-studerende, og Juan de Pablo, Irene og Frederic Posvar-professoren i kemi- og biologisk teknik, har udtænkt en computermodelleringsteknik, der fanger denne uordnede struktur af metalliske briller på et detaljeringsniveau, der har ikke været muligt indtil nu.

I modellen er individuelle atomer repræsenteret af sfærer, og systemets potentielle energi - den energi, der opstår på grund af interaktionen mellem atomerne - beregnes ved enhver mulig atomkonfiguration. Computerprogrammet bestemmer derefter rækkefølgen af ​​atombevægelser, der fører til den laveste potentielle energi, svarende til en situation, hvor strukturen har nået sin mest stabile ligevægtskonfiguration.

Denne struktur er ofte ikke den, som det metalliske glas faktisk har, fordi materialet kan være fanget i et metastabilt energiminimum - en energi "bakke", der ikke er det globale minimum (global stabilitet betyder, at systemet altid vil slappe af til den tilstand i tide, med nok energi). Metastabile tilstande opstår fra konkurrerende effekter på atomniveau. For eksempel i metalliske glas foretrækker individuelle atomer typisk at være så langt væk fra hinanden som muligt, men geometriske begrænsninger kan tvinge atomer til at sidde tættere sammen end ideelt.

Metastabilitet er et afgørende materialedesignkoncept. Den beskriver forskellen mellem det ideelle og det virkelige, og dets forståelse er nøglen til at designe nye materialer. For eksempel kan metastabile tilstande bruges til at designe materialer, der er stærkere og sejere, fordi materialet skal overvinde en højere energibarriere for at "pakke ud" og ændre dets atomare konfiguration.

Den aktuelle undersøgelse afslører, at det er "udtrækningen" af nanoskalaområder i den amorfe struktur på grund af den påførte kraft, der i sidste ende tillader materialet at slappe af til dets ideelle konfiguration og frigive dets energi. Computermodellen forudsiger placeringen og karakteristika af disse nanoskala defekter for forskellige typer af amorfe metaller, såvel som mængden af ​​energi, der frigives under brud.

Gruppens model identificerer også de mest sandsynlige veje, som revner forplanter sig gennem glasset, og hvor disse revner er mest tilbøjelige til at ophøre. Disse oplysninger kan hjælpe forskere og ingeniører med at undgå sprøde brud og designe materialer, der fejler på en mere kontrolleret eller fordelagtig måde, hvilket forbedrer ydeevnen og sikkerheden af ​​disse alsidige materialer.

Undersøgelsen, "Nanoscale Plastic Events Control Fracture in Metallic Glasses," blev offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters den 19. november 2018.