Et klarere overblik over, hvad der gør glas stift

Forskere under ledelse af The University of Tokyo anvendte en ny computermodel til at simulere netværkene af kraftbærende partikler, der giver amorfe faste stoffer deres styrke, selvom de mangler rækkefølge på lang afstand. Dette arbejde kan føre til nye fremskridt inden for glas med høj styrke, som kan bruges til madlavning, industriel, og smartphone applikationer.

Amorfe faste stoffer som glas - på trods af at de er sprøde og har bestanddele, der ikke danner ordnede gitter - kan besidde overraskende styrke og stivhed. Dette er endnu mere uventet, fordi amorfe systemer også lider af store anharmoniske udsving. Hemmeligheden er et internt netværk af kraftbærende partikler, der spænder over hele det faste stof, som giver systemet styrke. Denne forgrening, dynamisk netværk fungerer som et skelet, der forhindrer materialet i at give efter for stress, selvom det kun udgør en lille brøkdel af de samlede partikler. Imidlertid, dette netværk dannes kun efter en 'perkoleringstransition', når antallet af kraftbærende partikler overstiger en kritisk tærskel. Når tætheden af ​​disse partikler stiger, sandsynligheden for, at et gennemtrængende netværk, der går fra den ene ende til den anden, stiger fra nul til næsten sikkert.

Nu, forskere fra Institute of Industrial Science ved University of Tokyo har brugt computersimuleringer til omhyggeligt at vise dannelsen af ​​disse perkolerende netværk, da et amorft materiale afkøles under dets glasovergangstemperatur. I disse beregninger, binære partikelblandinger blev modelleret med afvisende potentialer med begrænset rækkevidde. Teamet fandt ud af, at styrken af ​​amorfe materialer er en ny egenskab forårsaget af selvorganiseringen af ​​den uordnede mekaniske arkitektur.

"Ved nul temperatur, et fastklemt system vil vise langdistancekorrelationer i stress på grund af dets interne gennemtrængende netværk. Denne simulering viste, at det samme gælder for glas, selv før det er helt afkølet, "siger første forfatter Hua Tong.

Den kraftbærende rygrad kan identificeres ved at erkende, at partikler i dette netværk skal være forbundet med mindst to stærke kraftbindinger. Ved afkøling, antallet af kraftbærende partikler stiger, indtil et systemdækkende netværk kæder sammen.

"Vores fund kan åbne op for en bedre forståelse af amorfe faste stoffer fra et mekanisk perspektiv, "siger seniorforfatter Hajime Tanaka. Siden rigid, holdbart glas er meget værdsat til smartphones, tabletter, og køkkengrej, arbejdet kan finde mange praktiske anvendelser.

Værket er udgivet i Naturkommunikation som "Emergent soliditet af amorfe materialer som følge af mekanisk selvorganisering."