Аморфные твердые вещества, такие как стекло, несмотря на то, что они хрупкие и содержат частицы, не образующие упорядоченных решеток, могут обладать удивительной прочностью и жесткостью. Это еще более неожиданно, потому что аморфные системы также страдают от больших ангармонических флуктуаций. Секрет заключается во внутренней сети частиц, несущих силу, которые охватывают все твердое тело, что придает прочность системе. Эта разветвленная динамическая сеть действует как каркас, который не позволяет материалу поддаваться нагрузкам, даже если он составляет лишь небольшую часть от общего количества частиц.
Однако эта сеть образуется только после «перколяционного перехода», когда количество несущих силу частиц превышает критический порог. По мере увеличения плотности этих частиц вероятность того, что просачивающаяся сеть, которая проходит от одного конца к другому, увеличивается от нуля до почти определенного.
Теперь ученые из Института промышленных наук Токийского университета использовали компьютерное моделирование, чтобы тщательно показать образование этих перколяционных сетей, когда аморфный материал охлаждается ниже температуры стеклования.
В этих расчетах бинарные смеси частиц моделировались отталкивающими потенциалами конечного радиуса действия. Команда обнаружила, что прочность аморфных материалов – это возникающее свойство, вызванное самоорганизацией неупорядоченной механической архитектуры.
"При нулевой температуре заклинившая система будет демонстрировать дальние корреляции напряжений из-за ее внутренней просачивающейся сети. Это моделирование показало, что то же самое верно и для стекла даже до того, как оно полностью остынет », – говорит первый автор Хуа Тонг.
Основу, несущую силу, можно идентифицировать, признав, что частицы в этой сети должны быть связаны как минимум двумя сильными силовыми связями. При охлаждении количество частиц, несущих силу, увеличивается, пока сеть, охватывающая всю систему, не соединится вместе.
«Наши открытия могут открыть путь к лучшему пониманию аморфных твердых тел с механической точки зрения», – говорит старший автор Хадзиме Танака.
Поскольку твердое и прочное стекло высоко ценится для смартфонов, планшетов и кухонной посуды, эта работа может найти множество практических применений.