Неоднородная мягкость тел позволяет создавать более мягкие аморфные материалы

Ученые из Токийского столичного университета создали новую модель неупорядоченных материалов, чтобы изучить, как аморфные материалы сопротивляются нагрузкам. Они представили группы атомов и молекул в виде сфер с разной степенью мягкости.

Подвергнув модель нагрузке, они обнаружили неожиданные различия между более твердыми областями и местами концентрации сил, причем области между такими областями «затвердевали», образуя вытянутые „силовые цепи“. Полученные результаты позволяют по-новому взглянуть на разработку более совершенных материалов.

Когда речь идет о создании твердых материалов, недостаточно просто использовать твердые ингредиенты. Например, когда бетон разрушается во время землетрясений, возникающие силы концентрируются в определенных местах, что приводит к образованию трещин. Известно, что передача сил через аморфные твердые тела, такие как бетон и цемент, происходит по четко определенным путям, известным как «силовые цепи». Расшифровка этих цепочек поможет понять, как такие твердые тела ведут себя под нагрузкой, но пока неизвестно, как они возникают и как связаны со свойствами материала.

Это вдохновило группу исследователей из Токийского столичного университета под руководством профессора Рея Куриты на создание простых и легкодоступных моделей аморфных материалов, которые могли бы научить нас тому, как формируются силовые цепочки. Вместо того чтобы просто моделировать движение всех атомов в материале, они решили представить группы атомов сферами с различной жесткостью, отражающими реакцию этих групп на силы. Исследуемые материалы характеризовались тем, насколько сильно варьировалась жесткость в пространстве и насколько широким был спектр твердых и мягких областей.

Деформируя массив хлюпающих частиц, ученые сначала выясняли, коррелирует ли локальная жесткость с передачей силы по цепи. Изначально казалось, что существует четкая корреляция между более жесткими областями и силовыми цепями. Однако дальнейший анализ показал, что силовые цепи по своей форме больше похожи на струны и не так хорошо коррелируют с изолированными жесткими участками. Чтобы понять это несоответствие, команда исследовала более простую модель из двух жестких областей, разделенных более мягкой областью, и обнаружила, что более мягкая область становится плотнее, создавая большие силы, необходимые для поддержания цепочки. Это первый взгляд на фундаментальную механику того, как соединяются силовые цепи.

Но как эти вариации влияют на свойства материала? Оказалось, что большие вариации мягкости и более широкие области «мягкое/твердое» приводят к неизменно более мягким материалам, как и большие вариации локальной плотности. Можно сделать вывод, что даже при одинаковых строительных блоках аморфные материалы с более равномерной жесткостью дают более твердый материал за счет более равномерного распределения силовых цепей.

Хотя возникновение вариаций жесткости в реальных материалах остается неизученным, команда надеется, что их новая модель и механизм проложат путь к разработке принципов создания более совершенных материалов.

Результаты опубликованы в издании Scientific Reports.

04.05.2024