Если к вам на ужин приходят важные гости, можно накрыть стол дорогими «хрустальными» бокалами. Однако для ученых кристалл и стекло – это на самом деле два очень разных состояния, которые жидкость может принять при охлаждении. Кристалл имеет определенную трехмерную структуру решетки, которая повторяется бесконечно, в то время как стекло представляет собой аморфное твердое тело, в котором отсутствует дальний порядок. Современные теории стеклования не могут точно предсказать, какие металлические смеси будут «стекловаться» с образованием стекла, а какие – кристаллизоваться.
Лучшее и всестороннее понимание стеклования будет большим подспорьем при разработке новых рецептов для механически прочных, электропроводящих материалов.
Теперь исследователи из Токийского университета использовали компьютерное моделирование трех прототипов металлических систем для изучения процесса образования стекла. «Мы обнаружили, что способность многокомпонентной системы образовывать кристалл, в отличие от стекла, может быть нарушена небольшими изменениями в составе», – говорит первый автор Юань-Чао Ху.
Проще говоря, стеклование является следствием того, что материал избегает кристаллизации при охлаждении. Это блокирует атомы в «замороженном» состоянии, прежде чем они смогут организовать себя в свой минимизирующий энергию паттерн.
Моделирование показало, что критическим фактором, определяющим скорость кристаллизации, была энергия границы раздела жидкий кристалл.
Исследователи также обнаружили, что изменения в элементном составе могут привести к локальному упорядочению атомов, которое нарушает процесс кристаллизации с расположением, несовместимым с обычной формой кристалла. В частности, эти структуры могут препятствовать крошечным кристаллам действовать как «зародыши», зарождающие рост упорядоченных областей в образце.
В отличие от предыдущих объяснений, ученые определили, что разница химических потенциалов между жидкой и кристаллической фазами оказывает лишь небольшое влияние на образование стекла.
«Эта работа представляет собой значительный прогресс в нашем понимании фундаментального физического механизма стеклования», – говорит старший автор Хадзиме Танака. «Результаты этого проекта могут также помочь производителям стекла в разработке новых многокомпонентных систем, которые обладают определенными желаемыми свойствами, такими как упругость, прочность и электропроводность."