Со временем, когда металлическое стекло подвергается нагрузке, его атомы смещаются, скользят и в конечном итоге образуют полосы, которые делают материал более склонным к разрушению. Ученые Университета Райса разработали новые вычислительные методы, основанные на общей теории очков, чтобы объяснить, почему.
Новая статья в Proceedings of the National Academy of Sciences, написанная физиком из Райса Питером Волинсом и бывшим аспирантом Апиватом Виситсорасаком, закладывает основу для расчета того, как все типы стекла трансформируются с течением времени, когда они подвергаются механическому воздействию. Их формулы могут помочь ученым и производителям улучшить стекло для конкретных применений.
Металлические стекла представляют собой сплавы, которые имеют стеклоподобную неупорядоченную структуру, а не поликристаллическую структуру привычных металлов. Они могут быть как хрупкими, так и пластичными в определенной степени, и им можно придать сложную форму, например, головки клюшек для гольфа. В отличие от оконного стекла, они токопроводящие и могут быть полезны для электроники.
Внешне стекло может казаться твердым, но беспорядочный набор молекул внутри всегда движется, сказал Волайнс. Уже несколько десятилетий известно, что при нагрузке стекла образуют полосы сдвига, линии, локализующие деформацию. Было выдвинуто много идей о том, как это происходит, но теперь группа Райс может объяснить это явление, используя общую теорию образования очков на основе энергетических ландшафтов.
Wolynes продолжил свое многолетнее исследование молекулярных свойств стекла в Центре теоретической биологической физики Райса (CTBP), где он также разрабатывает физику энергетических ландшафтов для фолдинга белков и ДНК. Его мотивация для новой работы заключалась в том, чтобы посмотреть, можно ли объяснить образование полос сдвига с помощью вычислений, описывающих, как напряжение изменяет скорость перегруппировки атомов в стекле.
«Мой непосредственный интерес состоит в том, чтобы показать, что это явление полос сдвига, которое заметно в металлических материалах, может быть понято как часть единой теории стекол», - сказал он. Эта теория, сформированная в течение десятилетий Волинсом и его коллегами, описывает многие аспекты образования стекол при охлаждении жидкости.
Он сказал, что два фактора способствуют образованию полос сдвига в металлических стеклах. «Во-первых, когда формируется стекло, оно в некоторых местах немного слабее, чем в других. В этом отношении полосы частично запрограммированы в стекле.
«Другой фактор - это элемент случайности», - сказал он. «Все химические реакции требуют концентрации энергии в каком-то конкретном режиме движения, но движение в стекле особенно сложно, поэтому вам нужно ждать, пока случайно не произойдет активирующее событие. Вам нужно своего рода событие зарождения."
Эти кажущиеся случайными «события активации», молекулярные взаимодействия, которые происходят естественным образом, когда переохлажденная жидкость течет, становятся редкими, когда стекло принимает свою форму, но усиливаются, когда стекло подвергается нагрузке. События вызывают совместное движение соседних молекул и в конечном итоге приводят к образованию полос сдвига.
Полосы, как пишут исследователи, отмечают области высокой подвижности и места, где может происходить локальная кристаллизация, и показывают, где стекло может в конечном итоге выйти из строя.
Волайнс сказал, что теория случайных переходов первого порядка позволяет ученым «говорить что-то о статистике этих событий, о том, насколько они велики, и о вовлеченных областях, без необходимости моделирования всего события с помощью моделирования молекулярной динамики».
Это открывает возможность делать реалистичные расчеты прочности стекла и, конечно же, металлических стекол. Можно было бы добавить в модель и особенности кристаллизации и разрушения, что будет интересно материаловедам работает над практическими приложениями», - сказал он.
Wolynes и Wisitsorasak проверили свои идеи на двухмерной компьютерной модели Vitreloy 1, металлического стекла, разработанного в Калифорнийском технологическом институте, которое «застывает» при температуре стеклования 661 градус по Фаренгейту.
Исследователи подвергли модель деформации, сократили месяцы, необходимые для практического исследования, до секунд, и наблюдали за тем, как материал формирует полосы сдвига точно так, как это видели в лаборатории и в соответствии с установленной теорией, сказал Волинс..
Компьютерные модели - это то, что нужно для таких исследований, сказал он, потому что лабораторные эксперименты могут занять месяцы или годы, прежде чем они принесут плоды. «Наша работа закладывает основу для нового способа моделирования механических свойств текучих стеклообразных материалов, а также для этого странного явления, когда наблюдаемый вами эффект является макроскопическим, но на самом деле он вызван событиями в наномасштабе», - сказал он.