Новая модель позволяет создать идеальное стекло, помогая объяснить, как неупорядоченные материалы превращаются в стабильные твердые тела.
Ученые создали первую компьютерную модель «идеального стекла» — теоретического материала, который физики искали с середины XX века.
Этот прорыв может помочь исследователям лучше понять, как ведут себя неупорядоченные материалы, и потенциально послужить основой для разработки более прочных и универсальных материалов промышленного назначения.
Работу возглавил физик Эрик Корвин из Университета Орегона. Используя передовые методы компьютерного моделирования, его команда создала структуру, в которой молекулы упакованы максимально плотно и стабильно, оставаясь при этом аморфными, то есть им не свойственна упорядоченная структура, характерная для кристаллов.
Стекло необычно тем, что ведёт себя как твёрдое тело, несмотря на хаотичное расположение его молекул.
Это загадочное поведение давно вызывает вопросы о том, как материалы без регулярной молекулярной структуры могут сохранять механическую стабильность.
Корвин отметил, что на молекулярном уровне стекло выглядит неупорядоченным по сравнению с кристаллами.
«Если посмотреть на стекло на молекулярном уровне, то можно увидеть, что молекулы расположены аморфно, — сказал Корвин. — Они как бы хаотично расположены. Они все прижаты друг к другу, но никакой структуры нет».
В погоне за идеальным бокалом
Физики давно подозревали о существовании состояния «идеального стекла». Эта идея была предложена в 1948 году химиком из Принстона Уолтером Каузманом, который предположил, что достаточно сильное охлаждение стекла может в конечном итоге привести к образованию идеально стабильной аморфной структуры, в которой молекулы упакованы максимально плотно.
Подобное состояние никогда не наблюдалось в природе, поэтому у ученых нет реального примера для изучения. Команда Корвина решила решить эту проблему с помощью математического моделирования, вместо того чтобы ждать, пока природа сама его создаст.
«Мы подумали, что, возможно, можем сразу приступить к делу, — сказал Корвин. — Мы сможем построить наилучшее возможное сооружение».
Для этого исследователи начали с упрощенной системы, в которой молекулы были представлены в виде круглых дисков.
Они черпали вдохновение из структуры двумерных кристаллов, где каждый диск окружен шестью соседними дисками, расположенными в повторяющемся сотообразном узоре.
Однако вместо сохранения кристаллической упорядоченности команда разработала метод, позволяющий поддерживать плотную упаковку дисков, одновременно удаляя повторяющуюся структуру, определяющую кристаллы.
Аморфная, но при этом кристаллопрочная.
В результате получилась конфигурация, которая оставалась полностью неупорядоченной, но механически вела себя как кристалл. По словам исследователей, эта структура представляет собой максимально плотное расположение для системы такого типа.
Команда подтвердила это поведение, проверив реакцию моделируемого материала на давление, изгиб и плавление. Эти тесты показали, что модель обладает механической стабильностью, сравнимой с кристаллическими материалами, несмотря на отсутствие у них упорядоченной структуры.
«В итоге мы пришли к выводу, что наша структура механически ведет себя идентично кристаллу, несмотря на то, что она полностью аморфна», — сказал Корвин.
Понимание этого состояния может помочь исследователям лучше понять стеклование — процесс, при котором жидкости превращаются в твердые стекла, не образуя кристаллов.
Данная работа может также иметь значение для перспективных материалов, таких как металлические стекла, которые сочетают в себе прочность металлов с гибкостью стеклоподобных структур.
Металлические стекла известны своей прочностью и устойчивостью к деформации, но их производство сопряжено с трудностями, поскольку для их изготовления необходимо чрезвычайно быстро охлаждать из жидкого состояния в твердое.
«Если бы мы смогли гораздо лучше понять процесс стеклования и определить, что делает сплав более или менее склонным к образованию металлического стекла, мы могли бы разрабатывать сплавы, которые можно было бы охлаждать гораздо медленнее», — сказал Корвин.
Он добавил, что улучшенные материалы могут преобразовать производство. «Можно было бы отлить автомобильный двигатель, можно было бы отлить реактивный истребитель. Это было бы революционно».
Исследователи планируют расширить свою работу за пределы двумерного моделирования и изучить идеальные структуры стекла в трехмерных системах.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Sourse: interestingengineering.com
