Undersøgelse beskriver, hvordan ydre kræfter driver omlejringen af ​​individuelle partikler i uordnede faste stoffer

Ny forskning offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences beskriver, hvordan ydre kræfter driver omlejring af individuelle partikler og former mikrolevelstrukturer i uordnede materialer. Studiet, udført af kandidatstuderende Larry Galloway, postdoc Xiaoguang Ma, og fakultetsmedlemmer Paulo Arratia, Douglas Jerolmack, og Arjun Yodh, giver ny indsigt i, hvordan den mikroskopiske struktur af uorden, glaslignende faste stoffer er relateret til ydre stressorer og de resulterende forskydninger i bevægelsen af ​​individuelle partikler. Disse fund giver potentielle nye tilgange til at skabe materialer, der kan tilpasses, og som har unikke mekaniske egenskaber.

Igennem historien, mennesker har ledt efter måder at gøre materialer mere modstandsdygtige på, fleksibel, og holdbar, hvad enten det er damaskus stålsværd eller vulkaniseret gummi. I dag, state-of-the-art billeddannelsesteknologier gør det muligt for forskere at studere materialer på atomniveau, men selv med denne forbedrede opløsning er det fortsat en udfordring at studere materialer, når de er under ydre kræfter. Dette gør det svært at udvikle "bottom-up" designmetoder, der kan præge materialer med specificerede mekaniske egenskaber.

En klasse materialer, der er særligt udfordrende, både for at studere og at manipulere, er uordnede materialer. I modsætning til bestilte materialer, som har krystallinske strukturer med atomer på veldefinerede forudsigelige steder, som på et honningkagegitter, atomer i uordnede materialer er arrangeret tilfældigt, som korn i en bunke sand. Uordnede materialer, såsom glasset, der bruges på smartphoneskærme, har mange nyttige egenskaber, men er skrøbelige, hvis de tabes eller knuses.

For bedre at forstå, hvordan uordnede materialer kan modificeres på en måde, der giver dem nye egenskaber, forskerne undersøgte dem under plastisk deformation. Denne proces, hvor materialet drives til at flyde og atomerne, molekyler, eller partikler, der udgør materialet, let kan glide forbi hinanden, forårsager permanente omlægninger i materialets overordnede struktur. Forskernes mål var at lede efter kvantificerbare relationer, der forbinder et materiales evne til at ændre sig under påvirkning af ekstern stress til, hvordan de enkelte partikler omarrangeres.

Teamet gennemførte eksperimenter ved hjælp af et "model" uordentligt materiale fremstillet af 50, 000 kolloidale partikler designet til at efterligne atomer. De enkelte "atomer" blev spredt tyndt ud over en vandgrænseflade, og forskerne brugte en lille magnetisk nål til at skubbe laget af atomer med en forskydningskraft, får dem til at flyde ad bestemte stier. Ved hjælp af video indsamlet under klipningsprocessen, de var i stand til at spore bevægelser for alle 50, 000 partikler.

Ved hjælp af dette datasæt, forskerne beregnede to størrelser, der viste sig at være afgørende for at forstå det uordnede faststoffers reaktion:overskydende entropi og afslapningstid. Overskydende entropi er et mål for den overordnede prøvestruktur, der karakteriserer, hvor uordentligt materialet er. Partikelafslapning er et mål for et materiales responsdynamik og karakteriserer, hvor hurtigt enkelte partikler bevæger sig forbi hinanden.

"Vi lagde mærke til, at disse to mængder er virkelig pænt forbundet med hinanden, "Galloway siger om analysen af ​​dette datasæt, som forskerne brugte til at kvantificere, hvor hurtigt de kolloidale "atomer" bevæger sig forbi hinanden, når der påføres en stress, og for at sammenligne denne hastighed med, hvor uordnet det endelige materiale blev.

Begrebet overdreven entropi var tidligere blevet brugt til at studere væsker og systemer, der er i ligevægt, hvilket betyder, at alle de kræfter, der virker på et system, er i balance. Det nuværende arbejde er det første eksperiment til at anvende disse ideer på systemer, der er ude af ligevægt, såsom det plastisk deformerende uordnede materiale, der er undersøgt her. "Vi fandt ud af, at det samme koncept, overdreven entropi, ofte brugt i standardteorien om væsker, kunne hjælpe os med at forstå, hvordan faste stoffer deformeres plastisk, "siger Ma.

Ved at kvantificere forholdet mellem struktur, eller overdreven entropi, og dynamik, eller afslapningstid, under plastisk deformation, teamet identificerede en sammenhæng mellem forskydningerne i placeringen af ​​individuelle partikler og materialets overordnede struktur. "Først, vi påførte en ekstern stress for at skubbe materialet, "Siger Yodh." Så, partiklerne i materialematerialet omarrangerede og i sidste ende slappede af til en ny intern struktur. Vi opdagede, at jo hurtigere denne ydre kraft påføres, jo hurtigere partiklerne omarrangeres og jo mere uordnet bliver den endelige materialestruktur, som afspejlet af dens overskydende entropi. "

Denne forbedrede forståelse af, hvordan et materiales dynamik forholder sig til dets mikrostruktur på enkeltpartikelniveauet, kan nu hjælpe materialeforskere med at forstå et givet materiales "historie". "Hvis jeg kender graden af ​​plastisk deformation, så kan jeg forudsige størrelsen på materialets rækkefølge i dets endelige tilstand. Alternativt kan hvis du ser på et materiale og måler dets mikrostrukturelle rækkefølge, så kan jeg fortælle dig noget om den plastiske deformationsproces, der drev den derhen, "siger Ma.

Forskerne planlægger nu yderligere forsøg for at beregne overskydende entropi mere lokalt og for at se på systemer, der er endnu mere uordnede end dem, der blev brugt i dette eksperiment. Hvis de finder ud af, at de fysiske principper, der er fastlagt i det nuværende arbejde, kan generaliseres til andre typer materialer, det kunne bane vejen for nye tilgange, der vedrører målinger på atomniveau til ønskelige mekaniske egenskaber. "Derefter, du kunne lære at forberede et materiale på en bestemt måde, ved at klippe hurtigere eller langsommere, sådan at du har en skærm, der ikke går i stykker, "siger Arratia.