Er amorfe faste stoffer elastiske eller plastiske?

I et krystallinsk fast stof, atomerne danner et ordnet gitter. Krystallinske faste stoffer reagerer elastisk på små deformationer:Når den påførte belastning fjernes, den makroskopiske stress, såvel som den mikroskopiske konfiguration af atomgitteret, går tilbage til den oprindelige tilstand. På den anden side, et materiale opfører sig plastisk, hvis det ikke vender tilbage til sin oprindelige tilstand. Generelt, plasticitet opstår kun, når deformationen er tilstrækkelig stor.

I modsætning til krystaller, amorfe faste stoffer, såsom briller, granuleret stof, geler, skum, og emulsioner, har uordnede partikelkonfigurationer. Hvordan reagerer amorfe faste stoffer på en lille deformation? Kan standardelasticitet beskrive amorfe faste stoffer?

For at besvare dette spørgsmål, Dr. JIN Yuliang fra Institut for Teoretisk Fysik (ITP) ved det kinesiske videnskabsakademi, sammen med sine samarbejdspartnere, systematisk studeret amorfe faste stoffers mekaniske egenskaber ved hjælp af et numerisk modelsystem.

Selvom makroskopiske egenskaber som stress og belastning er reversible ved frigivelse af en lille deformation, mikroskopiske konfigurationer kan være irreversible. Det nødvendige arbejde for at skifte mellem før- og efter-forstyrrelseskonfigurationer er uendeligt lille. Denne form for amorft fast stof kaldes marginalt stabilt og er resultatet af en såkaldt Gardner-overgang, som forudsagt for nylig af middelfeltteori.

Forskerne etablerede yderligere et stabilitet-reversibilitetskort over amorfe faste stoffer i hårde kugler, som forener mekanisk adfærd, herunder elasticitet, plasticitet, hvilket giver, og jamming.

Ifølge stabilitets-reversibilitetskortet (fig. 1), et amorft fast stof har to typiske adfærd, som afhænger af omfanget af volumen og forskydningsbelastninger. I den stabile region, det amorfe faste stof er virkelig elastisk og reversibelt, ligesom krystaller. I den marginalt stabile region, på den anden side, elasticitet er uundgåeligt blandet med plasticitet, selv for uendelige små deformationer. Et marginalt stabilt amorft fast stof er kun delvist reversibelt.

Undersøgelsen viser, at der er behov for en mere komplet elastisk teori - en, der korrekt kan inkorporere amorfe faste stoffer. Det giver også vigtig indsigt i designet af næste generations mekaniske materialer såsom metalliske glas.

Forskningen er rapporteret i Videnskabens fremskridt .