Forskere etablerer universel signatur, der er grundlæggende for, hvordan glasagtige materialer fejler

Taber en smartphone på dens glasskærm, som er lavet af atomer fastklemt uden nogen mærkbar rækkefølge, kan resultere i, at den går i stykker. I modsætning til metaller og andre krystallinske materialer, glas og mange andre uordnede faste stoffer kan ikke deformeres væsentligt, før de svigter og, på grund af deres mangel på krystallinsk orden, det er svært at forudsige, hvilke atomer der ville ændre sig under svigt.

"For at forstå, hvordan et system vælger sit omarrangeringsscenarie, " sagde Douglas Durian, professor i fysik og astronomi ved University of Pennsylvania, "vi skal skabe forbindelse med den underliggende mikroskopiske struktur. For krystaller, det er nemt; omlejringer er ved topologiske defekter såsom dislokationer. For uordnede faste stoffer, det er et meget hårdt 40 år gammelt problem, som vi nu knækker:Hvad og hvor er der strukturelle defekter i noget, der er forstyrret?"

For at finde en sammenhæng mellem tilsyneladende uensartede uordnede materialer, et tværfagligt samarbejde mellem Penn-forskere fra School of Arts and Sciences og School of Engineering and Applied Science med ekspertise i forskellige materialer undersøgte en hidtil uset række af uordnede faste stoffer med partikler, der spænder fra individuelle atomer til flodklipper. At forstå materialefejl på et grundlæggende niveau kan bane vejen for at designe mere brudsikre glas eller forudsige geologiske fænomener som jordskred.

I et blad udgivet i Videnskab , Penn-forskerne afslørede fællestræk mellem disse forstyrrede systemer, definere en pendant til de "defekter", der er involveret i krystallinske materialers svigt. Denne såkaldte "blødhed" i uordnede systemer forudsiger placeringen af ​​defekter, som er den samling af partikler, der mest sandsynligt ændrer sig, når materialet svigter.

Forskerne brugte en teknik udviklet af Durian med Penn Ph.D. uddannet Samuel Schoenholz, og Harvard University Ph.D. uddannet Ekin Dogus Cubuk, begge i øjeblikket hos Google Brain; Andrea Liu, Hepburn professor i fysik ved Penns School of Arts and Sciences; og Efthimios Kaxiras, John Hasbrouck Van Vleck professor i ren og anvendt fysik, Harvard School of Engineering and Applied Sciences. Liu og Daniel Gianola, dengang professor ved Penn's School of Engineering and Applied Science's Department of Materials Science and Engineering og nu ved University of California, Santa Barbara, ledet undersøgelsen. Daniel Strickland og Robert Ivancic, begge kandidatstuderende ved Penn, er første forfattere, sammen med Cubuk og Schoenholz.

Artiklen er kulminationen på mange års forskning udført på Penn's Materials Research Science &Engineering Center (MRSEC), som er vært for Laboratory for Research on the Structure of Matter. Liu og Robert Carpick, John Henry Towne Professor og formand i Mechanical Engineering and Applied Mechanics ved Penn var medledere af MRSECs integrerede forskningsgruppe med fokus på mekanikken i uordnede pakninger.

Et dusin af gruppens fakultetsmedlemmer, sammen med studerende og postdoktorale forskere fra deres laboratorier, bidraget til undersøgelsen, leverer data fra 15 simuleringer og eksperimenter på forskellige typer forstyrrede systemer. Partiklerne i disse systemer varierede i størrelse fra kulstofatomer, der udgør slidbestandige motorbelægninger til centimeterstore plastikkugler i en modelflodleje.

Brug af maskinlæring, forskerne indsamlede hundredvis af mængder, der karakteriserer arrangementerne af partikler i hvert system, mængder, der individuelt måske ikke forventes at afsløre meget. Vigtigt, de fandt kombinationen af ​​disse størrelser, der korrelerer stærkt med dynamikken. Dette frembragte en mikroskopisk strukturel egenskab kaldet blødhed. Hvis blødhed er kendt, det uordnede materiales adfærd, og hvor sandsynligt det er, at dets partikler vil omarrangere kan forudsiges.

Systemerne, som forskerne undersøgte, blev omarrangeret på grund af tilfældige termiske udsving eller forskellige former for påført stress, såsom klemning eller strækning. I alle tilfælde, teknikken fungerede godt, og forskerne var i stand til med høj nøjagtighed at forudsige sandsynligheden for, at systemerne ville omarrangere.

Forskerne sammenlignede derefter egenskaber på tværs af systemer. De fandt ud af, at længdeskalaen, som blødhed var korreleret over, var identisk med størrelsen af ​​omarrangeringer, eller antallet af partikler, der bevæger sig, når der opstår fejl. Bemærkelsesværdigt, de fandt ud af, at dette tal er næsten identisk i alle disse systemer uanset størrelsen af ​​partiklerne og hvordan de interagerer.

"Folk har talt om, hvad der bestemmer størrelsen af ​​lokaliserede omlejringer i uordnede faste stoffer i 40 år, " sagde Liu. "De spekulerede om lokaliserede defekter, som de kaldte forskydningstransformationszoner i uordnede systemer, hvor omorganiseringer sandsynligvis vil forekomme, men ingen havde set dette direkte. De kunne ikke forudsige på forhånd, hvor der sandsynligvis ville ske omarrangeringer. Med maskinlæring, vi siger, 'Lad os træne systemet. Lad os se på omlægningerne og strukturerne og se, om vi kan finde ud af, hvad der er vigtigt, og så bruge det.' Det er konceptuelt meget ligetil, men det viser sig at være meget kraftfuldt."

Forskerne målte også udbyttestammen, eller hvor meget faststoffet kan deformeres, før det begynder at deformeres plastisk. De fandt også, at udbyttebelastningen er omtrent den samme for alle uordnede faste stoffer over systemer, der spænder over 13 størrelsesordener i deres mekaniske stivhed. Til sammenligning, udbyttespændingerne for forskellige krystallinske materialer kan variere hundrede eller tusind gange.

Nu hvor forskerne har vist, at op til og omkring når stress påføres, alle disse systemer ser ens ud, Det næste skridt i indsatsen ledes i fællesskab af Durian og Paulo Arratia, professor i maskinteknik og anvendt mekanik på Ingeniørhøjskolen. Deres mål er at gå ud over udbytte, hvor alt bliver kaos og systemerne begynder at se ekstremt anderledes ud. Nogle systemer brud, andre viser skærebånd og andre, som skum, kan flyde jævnt for evigt.

"Når der sker en omarrangering, blødheden af ​​de nærliggende partikler ændrer sig alle, " sagde Durian, "men, på grund af lang rækkevidde elastiske koblinger, så kan partiklernes blødhed endda ret langt væk, som illustreret af disse data. Dermed, en omarrangering har en ikke-triviel effekt på, hvor de næste omarrangeringer sandsynligvis vil finde sted. I særdeleshed, vil nærliggende omarrangeringer blive tilskyndet og dermed fremme forskydningsbånd, eller vil de blive modløse og dermed fremme sejhed? Vi tror på at forstå og i sidste ende kontrollere det komplekse samspil mellem omarrangeringer, stress, og struktur - her kvantificeret ved blødhed - er nøglen til at forbedre sejheden."

Hvis forskerne kan forstå, hvorfor forskellige systemer opfører sig forskelligt ud over udbytte, de kan være i stand til at kontrollere blødhed, og hvordan den udvikler sig, når den er under stress. Dette kan føre til hårdere belægninger og materialer, såsom mere holdbare glasskærme til telefoner.

"Forstyrrede faste stoffer har en masse gode egenskaber, " sagde Liu. "Du kan støbe dem i enhver form, du vil, eller skabe overflader, der er atomisk glatte, hvilket du ikke rigtig kan med krystallinske systemer. Men de har en tendens til at splintre let. Hvis vi kan forstå, hvad der styrer det, og hvordan vi kan forhindre det, så begynder begreberne at have reelle anvendelser. I et ideelt tilfælde, vi ønsker at udvikle nye, hårdere materialer, der ikke er så skøre eller ikke falder fra hinanden så katastrofalt."