Teori giver gennemsigtighed til, hvordan glas går i stykker

Over tid, når et metallisk glas udsættes for stress, dets atomer vil skifte, glide og i sidste ende danner bånd, der efterlader materialet mere tilbøjeligt til at gå i stykker. Rice University-forskere har udviklet nye beregningsmetoder baseret på en generel teori om briller for at forklare hvorfor.

Et nyt papir i Proceedings of the National Academy of Sciences af Rice-fysiker Peter Wolynes og tidligere kandidatstuderende Apiwat Wisitsorasak lægger et fundament for at beregne, hvordan alle typer glas formår over tid, når de udsættes for mekanisk belastning. Deres formler kan hjælpe forskere og producenter med at gøre glas bedre til specifikke applikationer.

Metalliske glas er legeringer, der har en glaslignende uordnet struktur snarere end de polykrystallinske strukturer af velkendte metaller. De kan være både skøre og duktile i grader og kan laves i komplekse former, som hovedet af golfkøller. I modsætning til vinduesglas, de er ledende og kan være nyttige til elektronik.

Udadtil, glas kan virke solidt, men den tilfældige række af molekyler indeni bevæger sig altid, sagde Wolynes. Det har været kendt i årtier, at når man er stresset, briller vil danne skærebånd, linjer, der lokaliserer stammen. Mange ideer er blevet fremsat om, hvordan dette sker, men nu kan Rice-gruppen forklare fænomenet ved hjælp af en generel teori om, hvordan briller dannes baseret på energilandskaber.

Wolynes har fortsat sin langvarige undersøgelse af glasets molekylære egenskaber ved Rice's Center for Theoretical Biological Physics (CTBP), hvor han også udvikler energilandskabernes fysik til protein- og DNA-foldning. Hans motivation for det nye arbejde var at se, om dannelsen af ​​forskydningsbånd kunne forklares gennem beregninger, der beskriver, hvordan stress ændrer hastigheden af ​​atomare omlejring i glasset.

"Min umiddelbare interesse er at vise, at dette fænomen med klippebånd, hvilket er en mærkbar ting i metalliske materialer, kan forstås som en del af den forenede teori om briller, " sagde han. Den teori, dannet gennem årtier af Wolynes og kolleger, beskriver mange aspekter af, hvordan glas dannes, når en væske afkøles.

Han sagde, at to faktorer foranlediger dannelsen af ​​forskydningsbånd i metalliske glas. "Den ene er, at når glas dannes, det er lidt svagere nogle steder end andre. I den henseende båndene er delvist programmeret ind i glasset.

"Den anden faktor er elementet af tilfældighed, " sagde han. "Alle kemiske reaktioner kræver koncentrering af energi i en bestemt bevægelsesmåde, men bevægelse i glas er særlig kompleks, så du skal vente på, at en aktiverende begivenhed sker ved et tilfælde. Du har brug for en slags nukleationsbegivenhed."

Disse tilsyneladende tilfældige "aktiveringshændelser, "molekylære koblinger, der sker naturligt, når en underkølet væske strømmer, bliver sjælden, når glasset sætter sig i sin form, men stiger, når glasset er belastet. Begivenhederne udløser samarbejdsbevægelsen af ​​tilstødende molekyler og resulterer til sidst i forskydningsbånd.

Bandene, forskerne skrev, markere områder med høj mobilitet, og hvor lokal krystallisation kan forekomme og vise, hvor glasset i sidste ende kan svigte.

Wolynes sagde, at den tilfældige førsteordens overgangsteori tillader videnskabsmænd at "sige ting om statistikken for disse begivenheder, hvor store de er og de involverede regioner, uden at skulle simulere en komplet begivenhed ved hjælp af simulering af molekylær dynamik.

"Dette åbner muligheden for at lave realistiske beregninger af glassets styrke og, sikkert, metalliske briller. Man kunne også tilføje træk ved krystallisation og brud til modellen, som ville være af interesse for materialeforskere, der arbejder med praktiske anvendelser, " han sagde.

Wolynes og Wisitsorasak testede deres ideer på en todimensionel computermodel af Vitreloy 1, et metallisk glas udviklet ved California Institute of Technology, der "fryser" ved sin glasovergangstemperatur på 661 grader Fahrenheit.

Forskerne satte modellen under pres, kollapsede de måneder, der var nødvendige for en praktisk undersøgelse, i sekunder og så materialet danne forskydningsbånd præcist set af laboratorier og i overensstemmelse med etableret teori, sagde Wolynes.

Computermodeller er vejen at gå for sådanne undersøgelser, han sagde, fordi laboratorieeksperimenter kan tage måneder eller år at bære frugt. "Vores arbejde sætter scenen for en ny måde at modellere de mekaniske egenskaber af glasagtige materialer, der flyder, samt dette mærkelige fænomen, hvor effekten du ser er makroskopisk, men det er faktisk forårsaget af begivenheder på nanoskalaen, " han sagde.