美國科學家模擬出夢想中的"理想玻璃"，其機械性能堪比晶體

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。

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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