En teori så klar som glas

Forskere fra Institute of Industrial Science ved University of Tokyo brugte beregninger af molekylær dynamik til at simulere metalblandingers glasdannende evne. De viser, at selv små ændringer i sammensætningen i høj grad kan påvirke sandsynligheden for, at et materiale vil antage en krystallinsk versus en glasagtig tilstand ved afkøling. Dette arbejde kan føre til en universel teori om glasdannelse og billigere, mere modstandsdygtig, elektrisk ledende glas.

Hvis du har vigtige gæster, der kommer over til middag, du kan dække dit bord med dyre krystalglas. Til videnskabsmænd, imidlertid, krystal og glas er faktisk to meget forskellige tilstande, som en væske kan antage, når den afkøles. En krystal har en defineret tredimensionel gitterstruktur, der gentages i det uendelige, mens glas er et amorft fast stof, der mangler lang rækkefølge. Nuværende teorier om glasdannelse kan ikke præcist forudsige, hvilke metalliske blandinger der vil "vitrificere" for at danne et glas, og hvilke der vil krystallisere. En bedre, mere omfattende forståelse af glasdannelse ville være en stor hjælp, når man designer nye opskrifter til mekanisk hårde, elektrisk ledende materialer.

Nu, forskere ved University of Tokyo har brugt computersimuleringer af tre prototypiske metalliske systemer til at studere glasdannelsesprocessen. "Vi fandt ud af, at et multikomponentsystems evne til at danne en krystal, i modsætning til et glas, kan forstyrres af små ændringer i sammensætningen, " siger førsteforfatter Yuan-Chao Hu.

Sagt enkelt, glasdannelse er konsekvensen af, at et materiale undgår krystallisation, når det afkøles. Dette låser atomerne i en "frossen" tilstand, før de kan organisere sig i deres energi-minimerende mønster. Simuleringerne viste, at en kritisk faktor, der bestemmer krystallisationshastigheden, var flydende-krystal-grænsefladeenergien.

Forskerne fandt også ud af, at ændringer i grundstofsammensætningen kan føre til lokale atomarrangementer, der frustrerer krystalliseringsprocessen med arrangementer, der er uforenelige med krystallens sædvanlige form. Specifikt, disse strukturer kan forhindre små krystaller i at fungere som "frø", der danner kernevæksten af ​​ordnede områder i prøven. I modsætning til tidligere forklaringer, forskerne fastslog, at den kemiske potentialforskel mellem væske- og krystalfasen kun har en lille effekt på glasdannelsen.

"Dette arbejde repræsenterer et betydeligt fremskridt i vores forståelse af den grundlæggende fysiske mekanisme for forglasning, " siger seniorforfatter Hajime Tanaka. "Resultaterne af dette projekt kan også hjælpe glasproducenter med at designe nye multikomponentsystemer, der har visse ønskede egenskaber, såsom modstandskraft, sejhed og elektrisk ledningsevne."

Værket er udgivet i Videnskabens fremskridt som "Fysisk oprindelse af glasdannelse fra flerkomponentsystemer."