Jam-pakket:En ny mikroskopisk tilgang til amorfe faste stoffer

Et team ledet af The University of Tokyo udviklede en ny metode til at forstå den strukturelle organisering af uordnede samlinger af bløde diske eller kugler ved hjælp af en ny tilgang:sætte fokus på lokale mekaniske egenskaber, der er fundamentalt forskellige fra tidligere tilgange til ordnede krystaller og uordnede amorfe faste stoffer. I særdeleshed, forskerne fokuserede pakninger skyldes fænomenet "fastklemning, "hvor et fritflydende stof pludselig tilstoppes, når tætheden stiger. Arbejdet kan hjælpe med design af mere effektive industrimaterialer, der er mindre tilbøjelige til at gå i stykker under ydre belastning.

Forestil dig, at du sidder på stranden og leger med sandbunkerne. Men når du prøver at dekorere det slot, du lige har bygget, du er overrasket over at opdage, at kun en meget lille operation fører til dens kollaps. I dette tilfælde, du har lige opdaget "marginale stabilitet" af amorfe faste stoffer, på grund af hvilket systemet mister sin stabilitet uventet. Selvom amorfe faste stoffer er allestedsnærværende i naturen og har brede industrielle anvendelser, Det kan være et alvorligt problem for vores sikkerhed, hvis de falder ud af kontrol. Den strukturelle organisering af amorfe faste stoffer, hvilket fører til marginal stabilitet, er ret kompleks og stadig ikke helt forstået. Faktisk, de fleste forskere agter at forstå amorfe faste stoffer ved hjælp af de etablerede modeller af bestilte krystaller, men konsensus er aldrig nået.

"På trods af intensiv undersøgelse gennem årtier, den ensartede beskrivelse af amorfe faste stoffer mangler endnu at være fastlagt, "siger første forfatter Dr. Hua Tong.

For det aktuelle projekt, forskerne brugte computersimuleringer af bløde diske eller kugler, der kan flyde ved lave tætheder, men sidder fast, når den pakkes tæt nok. Deres centrale indsigt var at flytte fokus fra geometri til det mekaniske eller vibrationsmæssige aspekt af amorfe faste stoffer. Teamet introducerede en ny ordreparameter, de kalder "vibrability, "som styrer hvor meget atomerne vibrerer ved opvarmning uendeligt fra nul temperatur. Ulignelige fononer, der er kollektive vibrationer i krystaller, vibrabiliteten i et amorft fast stof afhænger af det lokale miljø, og varierer fra sted til sted i hele prøven. Forskerne viste, at steder med høj vibrationsevne svarer til uordnede "bløde pletter", der er vigtige for at bestemme, hvor systemet kan fejle under forstyrrelser.

Amorfe faste stoffer kan findes i en lang række forskellige former, alligevel synes de alle at dele vigtige funktioner, når de undersøges. "En vigtig observation af amorfe faste eller fastklemte pakninger er, at mens de har forskellige geometriske strukturer, de udviser temmelig universelle vibrationskarakteristika, siger seniorforfatter prof. Hajime Tanaka. "Opdagelserne fra computersimuleringer er derfor af grundlæggende betydning for både teoretiske og anvendelsesformål."