新模擬創(chuàng)造出理想玻璃,有助于解釋無序材料如何成為穩(wěn)定的固體。
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科學家們首次創(chuàng)建了"理想玻璃"的計算機模型,這是一種自20世紀中葉以來物理學家一直在追尋的理論材料。
這項突破有助于研究人員更好地理解無序材料的行為,并可能為設計更強、更多功能的工業(yè)材料提供指導。
這項工作由俄勒岡大學的物理學家埃里克·科溫領導。通過使用先進的計算建模,他的團隊構建了一種結構,其中的分子在保持無定形(即缺乏晶體典型的有序模式)的同時,實現(xiàn)了盡可能緊密和穩(wěn)定的堆積。
玻璃之所以特殊,是因為盡管其分子排列隨機,但其行為卻像固體一樣。
這種令人費解的行為長期以來引發(fā)了一個問題:沒有規(guī)則分子結構的材料如何能保持機械穩(wěn)定性。
科溫表示,在分子水平上,與晶體相比,玻璃看起來是無序的。
"如果你在分子水平上觀察玻璃,你會看到分子是無序排列的,"科溫說。"它們有點隨機。它們都彼此擠壓在一起,但沒有結構。"
追尋理想玻璃
物理學家們長期以來一直懷疑可能存在一種"理想玻璃"狀態(tài)。這個想法是由普林斯頓大學的化學家沃爾特·考茲曼于1948年提出的,他推測,將玻璃充分冷卻,最終可能會產生一種完美穩(wěn)定的無定形結構,其中的分子被盡可能緊密地堆積。
這種狀態(tài)從未在自然界中被觀察到,這使得科學家們沒有真實例子可供研究。科溫的團隊決定通過數(shù)學建模來解決這個問題,而不是等待自然界產生一個。
"我們想,也許我們可以直接跳到那一步,"科溫說。"我們可以構建出可能的最佳結構。"
為此,研究人員從一個簡化的系統(tǒng)開始,其中分子被表示為圓形圓盤。
他們從二維晶體的結構中汲取靈感,在二維晶體中,每個圓盤被六個相鄰的圓盤包圍,排列成重復的蜂窩狀圖案。
然而,該團隊并沒有保持晶體有序性,而是開發(fā)了一種方法,在去除晶體的重復結構的同時,保持圓盤的緊密堆積。
無定形卻擁有晶體的強度
結果產生了一種完全無序但在機械性能上卻類似晶體的構型。據(jù)研究人員稱,這種結構代表了該類系統(tǒng)可能達到的最致密排列。
通過測試模擬材料對壓力、彎曲和熔化的反應,團隊證實了其行為。這些測試表明,盡管缺乏有序結構,但該模型表現(xiàn)出的機械穩(wěn)定性可與晶體材料相媲美。
"結論是,我們的結構在機械性能上與晶體完全相同,盡管它是完全無定形的,"科溫說。理解這種狀態(tài)有助于研究人員更好地理解玻璃化轉變,即液體在不形成晶體的情況下變成剛性玻璃的過程。
這項工作也可能對先進材料(如金屬玻璃)產生影響,金屬玻璃結合了金屬的強度和類玻璃結構的柔韌性。
金屬玻璃以其強度和抗變形能力而聞名,但它們難以制造,因為它們必須從液態(tài)極快地冷卻下來。
"如果我們能對玻璃化轉變有更深入的了解,并理解是什么因素讓某種合金更適合或更不適合形成金屬玻璃,我們就能設計出可以慢得多冷卻的合金,"科溫說。
他補充說,改進的材料可能會改變制造業(yè)。"你可以模鑄汽車發(fā)動機,你可以模鑄噴氣式戰(zhàn)斗機。這將是革命性的。"
研究人員計劃將其工作擴展到二維模擬之外,以探索三維系統(tǒng)中的理想玻璃結構。
該研究結果發(fā)表在《物理評論快報》期刊上。
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