Новое исследование в Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики, опубликованное 24 сентября в журнале Nature Communications, раскрыло одну загадку стекла, чтобы пролить свет на механизм, который вызывает его деформацию перед тем, как разбиться. Исследование улучшает понимание стекловидной деформации и может ускорить более широкое применение металлического стекла — формованного, износостойкого, пригодного для использования в магнитных поле материала, который в три раза прочнее самой прочной стали и в десять раз упругий.В то время как металлы обычно являются кристаллическими, металлические стекла аморфны по атомной структуре.
Аморфные металлы, изучаемые с 1950-х годов, имеют тенденцию кристаллизоваться при нагревании, что делает их чрезвычайно хрупкими. Металлические стеклянные сплавы, которые не так легко кристаллизовались, были обнаружены в Университете Тохоку и Калифорнийском технологическом институте в 1991 году и коммерчески внедрены в гольф-клубах в 2001 году.Стекло висит в метастабильном состоянии, в котором энергия системы выше, чем состояние с наименьшей энергией, которое система могла бы принять, — кристаллическое состояние.
Но его состояние достаточно стабильно при комнатной температуре, чтобы длиться всю жизнь человека.«Точно говоря, метастабильное состояние не может длиться долго; оно развивается», — сказал руководитель проекта Такеши Эгами, выдающийся ученый / профессор из ORNL и Университета Теннесси-Ноксвилл, который руководит Объединенным институтом нейтронных наук (JINS), партнерством ORNL. и UT. «Например, алмаз является только метастабильным. Графит — стабильное состояние.
Голливуд говорит:« Бриллианты навсегда ». С научной точки зрения это совершенно неверно ".Благодаря относительной стабильности металлическое стекло можно плавить и точно лить в формы, не возвращаясь в его наиболее стабильное кристаллическое состояние. Полученные детали не нужно обрабатывать, что позволяет сэкономить деньги. Тем не менее, металлическое стекло стоит дорого. (Сделанная из него клюшка может обойтись гольфисту на 800 долларов).
Тем не менее, он использовался в биосовместимых костных имплантатах, нержавеющих бритвах и лезвиях скальпелей, эластичных покрытиях для труб нефтеперерабатывающего завода, трансформаторах с половиной потерь энергии, теннисной ракетке Андре Агасси. и устойчивый к царапинам логотип Apple iPhone 6.Он может получить более широкое применение, если нанести его на компьютерные микросхемы для уменьшения электромагнитного шума, выделяющего тепло. Более широкое внедрение может снизить стоимость часов, колец, лыж и бейсбольных бит из металлического стекла.
Материал может быть использован в кузовах автомобилей, а также в корпусах смартфонов и компьютеров. Но для того, чтобы металлическое стекло реализовало свои обещания, оно должно прежде всего преодолеть давнюю проблему.«Металлические стекла слишком хрупкие, а это означает, что материалы легко ломаются без значительной пластической деформации», — сказал Юэ Фань, научный сотрудник ORNL и ведущий автор исследования. «Чрезвычайно важно понять происхождение деформации металлических стекол, чтобы разработать решения, которые повысят их полезность».
Показательный пример: первоначальные прототипы разбились всего после 40 попаданий. Чтобы улучшить пластичность, то есть способность материала деформироваться без разрушения, производителям пришлось прибегать к использованию композитных материалов, включающих кристаллический материал. В то время как клюшки для гольфа из металлического стекла остаются востребованными и сегодня, производители прекратили их производство 10 лет назад из-за их высокой стоимости.
Универсальный триггер Фан и Эгами вместе с постдокторантом из JINS Такуей Ивашита обнаружили с помощью компьютерного моделирования, что до того, как стекло расколется, во время ранней деформации задействован один механизм: участки всего из пяти или около того атомов обмениваются атомными связями друг с другом (см. Видео) . До открытия ученые думали, что количество атомов, вызывающих деформацию, колебалось от 20 до 600.«Этот триггер был одинаковым для стабильного и нестабильного стекла», — сказал Фан (см.
Технические характеристики). «Единственная разница заключалась в том, как триггеры организованы сами по себе. Отдельные триггеры были идентичны.
До сих пор люди не верили в существование универсального триггера и думали, что каждый случай индивидуален. Но теперь мы видим некую универсальность».Организация универсальных триггеров коррелирует с пластичностью материала.
Эта способность к деформации под внешним воздействием должна быть улучшена для металлических стекол, чтобы достичь жизнеспособности на массовом рынке.«Наше моделирование деформации металлических стекол может пролить свет на контроль пластичности», — сказал Фан. В исследовании сравнивали металлические стекла, которые нагревали до жидкого состояния при температуре 2000 кельвинов, а затем охлаждали, медленно или быстро, почти до абсолютного нуля по Кельвину, температуры настолько низкой, что атомы почти не двигаются. В быстро охлаждаемом стекле возникает больше пятиатомных триггеров деформации или областей переключения атомных связей, чем в медленно охлаждаемом стекле.
Фан объяснил, что большая плотность триггеров создает больше путей, по которым может рассеиваться энергия, создавая стекло с большей пластичностью.Грандиозная задача В кристаллах атомы регулярно упаковываются в идентичные элементарные ячейки хорошо упорядоченных решеток. В стекле же они расположены на случайных расстояниях друг от друга, что бесконечно увеличивает количество возможных конфигураций. Тот же атомный хаос справедлив и для жидкости.
Фактически, в атомарном отношении твердое стекло представляет собой «замороженную» жидкость, которая течет, хотя и на протяжении столетий.Лауреат Нобелевской премии по физике Филип Андерсон назвал стекло «самой глубокой и интереснейшей нерешенной проблемой в теории твердого тела» из-за его неупорядоченной атомной упаковки.«В 20 веке мы разработали физику твердого тела в кристаллическом состоянии», — сказал Эгами. «В кристаллах одна элементарная ячейка повторяется много, много, много, много раз, поэтому, если вы понимаете одну [ячейку], вы понимаете все.
Эта периодичность была основным ключом к развитию теории твердых тел. Стекла и жидкости не имеют этого периодичность ".
По словам Эгами, атомы в повторяющихся ячейках кристалла подобны гражданам при диктатуре — индивидуальность недопустима, а взаимодействия регламентированы. Но атомы в стеклообразном и жидком состояниях похожи на демократии — атомы и их окружение разнообразны. «Это проблема многих тел в физике», — объяснил Эгами. «Это означает, что вы можете решить одно или два [атомных взаимодействия], но три уже представляют собой проблему многих тел, которую нельзя решить строго. Это огромная математическая проблема».Это делает стекло сложной задачей не только в материаловедении, но и в физике конденсированного состояния.
«В том, что мы знаем о науке о жидкости и стеклах, существует огромный вакуум просто потому, что это сложная задача, и сделано немногое», — сказал Эгами. «Большая часть материалов в мире просто непонятна».Поход к ландшафту потенциальной энергии
Прочность различна даже у материалов одного и того же типа. Один кристаллический материал может быть в тысячу раз прочнее другого, тогда как самое прочное стекло может быть всего в три раза прочнее самого слабого. «Удивительно, что сила не так сильно зависит от состава», — сказал Эгами.
Изучение дефектов, ослабляющих стекло, требует другого подхода, чем исследование дефектов, разрушающих кристалл. Когда кристалл подвергается напряжению, дефекты решетки могут приводить к смещению рядов атомов. Стекло, напротив, не имеет решетки.
Однако у него есть дефекты — настолько много, что ученые даже не могут определить «дефекты» в стекле. Это делает механизм деформации аморфных материалов, таких как металлическое стекло, спорным. «Есть очень много идей о том, как это происходит, но до сих пор это не совсем понятно», — сказал Эгами.Эволюция системы, такой как оксидное стекло или металлическое стекло, определяется ее энергетической конфигурацией или лежащим в основе ландшафтом потенциальной энергии (PEL).Предыдущие исследователи сосредоточились на начальном и конечном состояниях систем в процессе деформации.
Вместо этого Фан, Эгами и Ивашита сосредоточились на «седловых точках» — точках наибольшей энергии во время движения атома в системе — между соседними минимумами. Если минимумы похожи на долины, седловые точки — это гребни, которые необходимо пересечь, чтобы добраться до соседней долины. «На PEL есть много локальных минимумов, а деформация системы состоит из скачков между соседними минимумами», — сказал Фан.Результаты показывают, что в очках деформация происходит, когда только пять туристов / атомов имеют достаточно энергии, чтобы вместе подняться на гору и пересечь седловую точку.
Другие туристы могут напрягаться, чтобы сделать то же самое, но им не хватает энергии для достижения успеха, поэтому они возвращаются в свои палатки в долине, чтобы отдохнуть.В нестабильной системе атомам легче добраться до седловых точек, чем в стабильной системе. В стабильной системе атомы должны взбираться на более высокие горы и тратить больше энергии, прежде чем они смогут остановиться в соседних долинах.
Снежок к разрушениюДля исследования с помощью моделирования исследователи рассчитали, как атомы движутся на персональном компьютере. Чтобы описать деформацию на атомарном уровне, они выбрали большое количество путей, по которым система может развиваться. Анализируя полученный ансамбль, они пришли к статистически вероятному сценарию.
«Мы раскрыли тайну этого механизма деформации не только в системе металлического стекла, но и в общей аморфной системе», — сказал Фан. «Это сложная проблема случайности, но из этого огромного статистического результата модели мы обнаруживаем, что [эти две системы] на удивление управляются одним и тем же механизмом».Затем исследователи изучат, что происходит между деформацией и разрушением. «Следствием деформации является стадия, на которой затрагиваются 20 атомов», — сказал Эгами. «Иногда они запускают лавину. Затем участвуют сотни атомов.
В конце концов, задействованы все атомы в системе — миллиарды атомов. Итак, сначала начинается разрушение пяти, а затем снежный ком превращается в большое действие».Улучшенное фундаментальное понимание исследователями металлических стекол создает новые знания о классе материалов, о котором мало что известно.
Такие достижения могут внести свой вклад в Инициативу федерального правительства по геному материалов, запущенную в 2011 году для ускорения открытия, производства и внедрения передовых материалов для глобального рынка.