Glasmolekyler kan fungere som sand, når de sidder fast, undersøgelse finder

UO-forskere har opdaget, at molekyler i glasmaterialer opfører sig ligesom partikler i sand og sten, når de hænger sammen, en mekanisme, der kunne sætte skub i udforskningen af ​​kondenseret stof og komplekse systemer.

Arbejdet viser, at glasagtige materialer ændrer deres organisationsstruktur til at opføre sig som sand, når de sidder fast, eller komprimeret til det punkt, hvor den skifter fra flydende til stiv. Opdagelsen udvider forståelsen af ​​termiske bevægelser og vibrationstilstande, der opstår, når materialer når jamming.

Opdagelsen blev beskrevet detaljeret i en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve der undersøger, hvad der sker, når glasmaterialer hurtigt komprimeres eller afkøles. I makroverdenen, den slags fastklemning ses i den måde, korn bevæger sig gennem en tragt eller sand i et timeglas.

Den nyfundne lighed er vigtig for forskere inden for kondenseret stof og komplekse systemer, og åbner op for nye måder at udforske glasagtige materialer gennem beregningsfysik, sagde Francesco Arceri, undersøgelsens hovedforfatter og en ph.d.-kandidat i medforfatter Eric Corwins Institut for Fysik laboratorium.

"Vores modellering viste, at den måde, briller reagerer på mekaniske anmodninger på, er den samme som for granulære materialer, " sagde Arceri. "Den mekaniske respons af et materiale er relateret til, hvordan varme overføres gennem det, dette arbejde giver således mulighed for en bedre forståelse af, hvorfor termiske og mekaniske egenskaber af glas er så forskellige fra andre faste stoffers egenskaber, som krystaller."

Forskere i Corwins laboratorium udvikler algoritmer til modellering af hårde og bløde kugler på supercomputere for at studere materialestrukturer for deres geometriske signaturer af jamming, hvor alle partikler ved starten af ​​stivheden har det samme antal kontakter.

Corwin er en del af et internationalt team, der studerer overgangen fra væske til glas som temperatur- og trykændringer under et Simons Foundation "Cracking the Glass Problem"-initiativ, der begyndte i 2016. En National Science Foundation Career Award til Corwin støttede også forskningen.

Glas i sin faste form er en samling af kolloider, små partikler under meget stærkt tryk. At faste glaspartikler minder så meget om granulært materiale, Arceri sagde, "er bemærkelsesværdigt, da kolloider når fastklemning, når de er stærkt komprimeret i grænsen for uendeligt tryk, mens korn sidder fast, når trykket er nul, og partiklerne ikke overlapper."

"Denne forbindelse åbner op for nye sammenligningsmuligheder, som ikke var tilgængelige før, " skrev C. Patrick Royall fra University of Bristol i Det Forenede Kongerige, i en kommentar i tidsskriftet Physics om papirets betydning.

UO-forskerne, Royall bemærkede, udnyttede et smuthul om jamming ved at se på det nedefra i stedet for at fokusere på starten på en jamming-overgang. UO-holdet fandt den samme adfærd på begge punkter af processen.

"Arceri og Corwin var i stand til effektivt at afkøle hårde kugler i deres simuleringer til næsten nul temperatur og behandle dem som et granulært materiale, med effektive interaktioner, når partiklerne ikke rørte hinanden, " Royall skrev. "Systemet var mekanisk stabilt til at pakke fraktioner mindre end blokering - så ligesom glasovergangen, det var muligt at nærme sig jamming nedefra."