Исследователи из Пенсильванского университета продемонстрировали важную общность, которая, похоже, распространяется на весь спектр стекловидных материалов. Они продемонстрировали, что шкала между жесткостью и прочностью стеклообразного материала остается неизменной, что подразумевает постоянную критическую деформацию, которую эти материалы могут выдержать до катастрофического разрушения, несмотря на крайние вариации, обнаруженные среди физических свойств этого класса материалов.
Эта постоянная критическая деформация дает представление о фундаментальном «семени», из которого вырастает разрушение стекла: небольшой группе составляющих стекло частиц или атомов, которые коллективно меняют форму. Несмотря на беспорядок, который олицетворяет стекло, эта скоординированная активность, по-видимому, универсальна для многих стеклообразных систем, таких как определенные металлы, полимеры и коллоиды, и является важной отправной точкой для разработки более прочных материалов.Исследование проводили аспирант Дэниел Стрикленд и доцент Дэниел Джанола с факультета материаловедения и инженерии Школы инженерии и прикладных наук Пенсильвании, а также тогдашний аспирант Юн-Ру Хуанг и доцент Дэён Ли из инженерного факультета химии. и биомолекулярная инженерия.
Он был опубликован в Proceedings of the National Academy of Sciences.Стекла аморфны, что означает, что составляющие их частицы, будь то атомы, коллоиды или зерна, расположены таким образом, чтобы не было общего узора. Из-за отсутствия внутренней последовательности их поведение сложно предсказать, особенно когда речь идет о том, как они ломаются или разваливаются. Кристаллические материалы, атомы которых аккуратно выстроены в повторяющиеся узоры, имеют тенденцию выходить из строя, начиная с дефектов или мест, где узор нарушен.
Периодичность этих паттернов также позволяет исследователям визуализировать атомную структуру кристаллических материалов. У их стеклянных собратьев такой способности нет.
«Есть много способов отобразить положение атомов и дефектов в кристалле, — сказал Джанола, — но у нас нет возможности сделать это для очков. Вот почему нам нужно строить модели большего размера, если мы собираемся понять, как их атомная структура влияет на их поведение ".Модель, которую исследователи использовали в своем исследовании, разработанная лабораторией Дэён Ли, представляла собой крошечные столбы, сделанные из микроскопических пластиковых шариков.
Подобно влажному песку, эти шарики могли сохранять форму благодаря капиллярным мостикам, которые действовали как замена атомным связям.«Мы измеряем напряжение, при котором столбы деформируются необратимо, — сказал Стрикленд, — и мы обнаружили удивительно похожую взаимосвязь между их поведением и поведением атомных неупорядоченных твердых тел. Кроме того, морфология разрушенных столбов показала поразительное сходство с ними. атомные неупорядоченные твердые тела ".Среди этих сходств — полосы сдвига, тонкие области частиц, которые скользят своими соседями в объеме материала в ответ на напряжение.
Хотя они не встречаются в хрупких оксидных стеклах, подобных тем, которые используются в оконных стеклах, это явление наблюдается в различных стеклянных материалах, от атомных масштабов в металлических стеклах до геологических масштабов при землетрясениях. Однако, несмотря на его повсеместное распространение, механизм, лежащий в основе полос сдвига, а также критическое значение деформации, необходимое для запуска этого явления, все еще плохо изучены.
«Мы хотим лучше понять этот вид сбоев, потому что мы хотим смягчить их, если это возможно», — сказал Джанола. «Если вы разрабатываете хороший материал, вы не хотите, чтобы такого рода провал случился. Он катастрофичен и локализован, тогда как мы предпочитаем, чтобы он был изящным и единообразным.
Вы бы предпочли иметь вмятину на бампере вашего автомобиля, вместо того, чтобы все это срезать ".Исследователи сжали свои микростолбы с помощью миниатюрного поршня, измеряя передаваемую через них силу, наблюдая за ними под увеличением.Проведя этот тест с колоннами, утрамбованными до разной плотности, исследователи обнаружили, что точки разрушения материалов с разной жесткостью попадают на аккуратную линию, которая проходит через стекла в различных масштабах длины.«При определенном уровне приложенного напряжения, — сказал Стрикленд, — это фундаментальное событие, которое приводит к образованию полос сдвига, становится очень благоприятным.
Мы показали, что эта точка примерно одинакова в атомных системах, полимерных стеклах и в наших микростолбах».Полученные данные свидетельствуют о том, что эти модельные системы являются эффективным инструментом для изучения «строительных блоков» разрушения стеклянных систем.
«Наклон этой линии говорит нам о фундаментальной единице деформации в этих стеклах», — сказал Джанола. «Похоже, что это связано с изменением формы примерно от 10 до 100 частиц, но в конечном итоге приводит к событию, охватывающему всю систему, и кажется универсальным для всех этих материалов».«Это особенно удивительно и интересно, потому что это означает, что пластическая деформация основана на совместном движении частиц, в случае наших столбов, и атомов в атомных стеклах», — сказал он. «Таким образом, несмотря на атомную хаотичность, существует некоторый уровень коммуникации помимо отдельных частиц в стекле. Это контрастирует с кристаллами, где любое совместное движение подавляется отдельными дефектами».Построение такой общей картины такой разрозненной группы материалов олицетворяет междисциплинарный характер исследования материалов в Пенсильвании.
Группа Ли работает с коллоидами и мягкими веществами, тогда как лаборатория Джанолы специализируется на атомарных твердых телах и твердых материалах. Объединение их точек зрения позволило получить новые идеи, которые охватывают широкий спектр систем.
«Наши области исследований не обязательно пересекаются с первого взгляда, — сказал Ли, — но мы смогли разработать уникальный проект благодаря поддержке Центра материаловедения и инженерии Пенна, который объединяет группы с очень разными знаниями. Этот проект — прекрасная кульминация двух, казалось бы, разрозненных областей исследований ».Постоянная работа исследователей связана с использованием трехмерной конфокальной микроскопии in situ для отслеживания отдельных частиц в процессе деформации.
Исследование было поддержано Национальным научным фондом через Научно-технический центр Пенна.