Multiskala modellering af et polymerglas for at forudsige dets temperaturafhængige egenskaber. Kredit:Wenjie Xia/NIST
Ikke alt ved glas er klart. Hvordan dets atomer er arrangeret og opfører sig, i særdeleshed, er overraskende uigennemsigtig.
Problemet er, at glas er et amorft fast stof, en klasse af materialer, der ligger i det mystiske område mellem fast og flydende. Glasagtige materialer omfatter også polymerer, eller almindeligt brugt plast. Selvom det kan se ud til at være stabilt og statisk, glassets atomer blander sig konstant i en frustrerende forgæves søgen efter ligevægt. Denne skiftende adfærd har gjort glassets fysik næsten umulig for forskere at fastlægge.
Nu et multi-institutionelt team, herunder Northwestern University, North Dakota State University og National Institute of Standards and Technology (NIST) har designet en algoritme med det formål at give polymerglas lidt mere klarhed. Algoritmen gør det muligt for forskere at skabe grovkornede modeller til at designe materialer med dynamiske egenskaber og forudsige deres konstant skiftende adfærd. Kaldet "energirenormaliseringsalgoritmen, "det er den første til nøjagtigt at forudsige glassets mekaniske opførsel ved forskellige temperaturer og kan resultere i den hurtige opdagelse af nye materialer, designet med optimale egenskaber.
"Den nuværende proces med materialeopdagelse kan tage årtier, " sagde Northwesterns Sinan Keten, som var med til at lede forskningen. "Vores tilgang skalerer molekylære simuleringer op omkring tusind gange, så vi kan designe materialer hurtigere og undersøge deres adfærd."
"Selvom der er glasagtige materialer overalt omkring os, videnskabsmænd kæmper stadig for at forstå deres egenskaber, såsom deres fluiditet og diffusion, når temperatur eller sammensætning varierer, " sagde Jack F. Douglas, en NIST-forsker, som ledte arbejdet sammen med Keten. "Denne mangel på forståelse er en alvorlig begrænsning i det rationelle design af nye materialer."
Studiet offentliggjort for nylig i tidsskriftet Videnskabens fremskridt . Wenjie Xia, en assisterende professor i civil- og miljøteknik ved North Dakota State University, var avisens første forfatter.
Glass mærkelige adfærd stammer fra den måde, det er lavet på. Det starter som en varm pool af smeltet materiale, der derefter hurtigt afkøles. Selvom det endelige materiale ønsker at nå ligevægt i en afkølet tilstand, det er meget følsomt over for skiftende temperaturer. Hvis materialet opvarmes, dens mekaniske egenskaber kan ændre sig dramatisk. Dette gør det vanskeligt for forskere effektivt at forudsige de mekaniske egenskaber ved at bruge eksisterende molekylære simuleringsteknikker.
"Så enkelt som glas ser ud, det er et meget mærkeligt materiale, " sagde Keten, en lektor i maskinteknik og civil- og miljøteknik i Northwesterns McCormick School of Engineering. "Den er amorf og har ikke en ligevægtsstruktur, så det udvikler sig konstant ved langsomme bevægelser af dets molekyler. Og så er der stor variation i, hvordan det udvikler sig afhængigt af temperatur og molekylære egenskaber for hvert glasagtigt materiale. Disse processer tager meget lang tid at beregne i molekylære simuleringer. At fremskynde beregninger er kun muligt, hvis vi kan kortlægge molekylernes positioner til enklere strukturelle modeller."
Glass struktur står i skarp kontrast til et krystallinsk fast stof, hvor atomer er arrangeret i en ordnet, forudsigelig og symmetrisk måde. "Det er nemt at kortlægge atomer i krystallinske materialer, fordi de har en gentagende struktur, " Forklarede Keten. "Mens det i et amorft materiale, det er svært at kortlægge strukturen på grund af manglen på lang rækkefølge."
"På grund af glassets amorfe og uordnede natur, dets egenskaber kan variere væsentligt med temperaturen, gør forudsigelsen af dens fysiske adfærd ekstremt vanskelig, " tilføjede Xia. "Nu, vi har fundet en ny måde at løse dette problem på."
For at løse denne udfordring, Keten, Douglas, Xia og deres samarbejdspartnere designet deres algoritme til at tage højde for de mange måder, glasmolekyler ville bevæge sig eller ikke bevæge sig på afhængigt af varierende temperaturer over tid. At beregne positionen af hvert atom i glas ville være møjsommeligt langsomt og kedeligt - selv for en kraftig algoritme - at beregne. Så Keten og hans samarbejdspartnere brugte "grovkornet modellering, " en forenklet tilgang, der ser på klynger af atomer i stedet for enkelte atomer. Deres nye metode skaber effektivt parametre for interaktionerne mellem disse grovere partikler, så modellen kan fange den dramatiske opbremsning i molekylær bevægelse, når det glasagtige materiale afkøles.
"Vi kan ikke lave en atom-for-atom simulering for selv glasfilm af nanoskala tykkelse, fordi selv det ville være for stort, " sagde Keten. "Det er stadig millioner af molekyler. De grovkornede modeller giver os mulighed for at studere større systemer, der kan sammenlignes med eksperimenter udført i laboratoriet."
Indtil nu, Keten og hans team har tjekket deres algoritme mod tre allerede velkarakteriserede og meget forskellige typer polymere glasdannende væsker. I hvert tilfælde, Algoritmen forudsiger nøjagtigt de kendte dynamiske egenskaber over et stort temperaturområde.
"At forklare brillernes fysik har berømt været et af de største problemer, som videnskabsmænd ikke har været i stand til at løse, " sagde Keten. "Vi kommer tættere på at forstå deres adfærd og løse mysteriet."