Nieuw onderzoek gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences beschrijft hoe externe krachten de herschikking van individuele deeltjes aandrijven en structuren op microniveau in ongeordende materialen vormen. De studie, uitgevoerd door afgestudeerde student Larry Galloway, postdoc Xiaoguang Ma, en docenten Paulo Arratia, Douglas Jerolmack, en Arjun Yodh, geeft nieuwe inzichten in hoe de microscopische structuur van wanordelijke, glasachtige vaste stoffen zijn gerelateerd aan externe stressoren en de resulterende verschuivingen in de bewegingen van individuele deeltjes. Deze bevindingen bieden potentiële nieuwe benaderingen voor het maken van aanpasbare materialen met unieke mechanische eigenschappen.

Door de geschiedenis heen, mensen hebben gezocht naar manieren om materialen veerkrachtiger te maken, flexibel, en duurzaam, of het nu Damascus stalen zwaarden zijn of gevulkaniseerd rubber. Vandaag de dag, state-of-the-art beeldtechnologieën stellen wetenschappers in staat om materialen op atomair niveau te bestuderen, maar zelfs met deze verbeterde resolutie blijft het een uitdaging om materialen te bestuderen wanneer ze onder externe krachten staan. Dit maakt het moeilijk om "bottom-up" ontwerpbenaderingen te ontwikkelen die materialen kunnen doordrenken met gespecificeerde mechanische eigenschappen.

Een klasse van materialen die bijzonder uitdagend zijn, zowel om te bestuderen als te manipuleren, is ongeordend materiaal. In tegenstelling tot bestelde materialen, die kristallijne structuren hebben met atomen op goed gedefinieerde voorspelbare locaties, als op een honingraatrooster, de atomen in ongeordende materialen zijn willekeurig gerangschikt, als korrels in een hoop zand. ongeordende materialen, zoals het glas dat wordt gebruikt in smartphoneschermen, hebben veel nuttige eigenschappen, maar zijn kwetsbaar als ze vallen of worden geplet.

Om beter te begrijpen hoe ongeordende materialen kunnen worden aangepast op een manier die ze nieuwe eigenschappen geeft, de onderzoekers bestudeerden ze tijdens plastische vervorming. Dit proces, waar het materiaal wordt gedreven om te stromen en de atomen, moleculen, of deeltjes waaruit het materiaal bestaat, kunnen gemakkelijk langs elkaar glijden, veroorzaakt permanente herschikkingen in de algehele structuur van het materiaal. Het doel van de onderzoekers was om te zoeken naar kwantificeerbare relaties die het vermogen van een materiaal om te veranderen onder invloed van externe stress verbinden met hoe de individuele deeltjes herschikken.

Het team voerde experimenten uit met behulp van een "model" ongeordend materiaal gemaakt van 50, 000 colloïdale deeltjes ontworpen om atomen na te bootsen. De individuele "atomen" waren dun verspreid over een watergrensvlak, en de onderzoekers gebruikten een kleine magnetische naald om de laag atomen met een schuifkracht te duwen, waardoor ze langs specifieke paden stromen. Met behulp van video verzameld tijdens het knipproces, ze konden de bewegingen van alle 50 volgen, 000 deeltjes.

Met behulp van deze dataset, de onderzoekers berekenden twee grootheden die cruciaal bleken voor het begrijpen van de reactie van de ongeordende vaste stof:overmatige entropie en relaxatietijd. Overmatige entropie is een maat voor de algehele monsterstructuur die kenmerkt hoe ongeordend het materiaal is. Deeltjesrelaxatie is een maat voor de responsdynamiek van een materiaal en karakteriseert hoe snel individuele deeltjes langs elkaar bewegen.

"We merkten dat deze twee grootheden heel mooi op elkaar aansluiten, " Galloway zegt over de analyse van deze dataset, die de onderzoekers gebruikten om te kwantificeren hoe snel de colloïdale "atomen" langs elkaar bewegen wanneer er spanning wordt uitgeoefend en om die snelheid te vergelijken met hoe ongeordend het uiteindelijke materiaal werd.

Het concept van overmatige entropie was eerder gebruikt om vloeistoffen en systemen te bestuderen die in evenwicht zijn, wat betekent dat alle krachten die op een systeem werken in evenwicht zijn. Dit werk is het eerste experiment om deze ideeën toe te passen op systemen die uit evenwicht zijn, zoals het hier bestudeerde plastisch vervormende ongeordende materiaal. "We ontdekten dat hetzelfde concept, overtollige entropie, vaak gebruikt in de standaardtheorie van vloeistoffen, zou ons kunnen helpen begrijpen hoe vaste stoffen plastisch vervormen, " zegt mam.

Door de relatie tussen structuur te kwantificeren, of overtollige entropie, en dynamiek, of ontspanningstijd, tijdens plastische vervorming, het team identificeerde een verband tussen de verschuivingen in de locatie van individuele deeltjes en de algehele structuur van het materiaal. "Eerst, we hebben een externe spanning toegepast om het materiaal te duwen, " zegt Yodh. "Dan, de deeltjes in het materiële materiaal herschikten zich en ontspanden zich uiteindelijk in een nieuwe interne structuur. We ontdekten dat hoe sneller deze externe kracht wordt toegepast, hoe sneller de deeltjes herschikken en hoe meer wanordelijk de uiteindelijke materiële structuur wordt, zoals weerspiegeld door zijn overtollige entropie."

Dit verbeterde begrip van hoe de dynamiek van een materiaal zich verhoudt tot zijn microstructuur op het niveau van één deeltje, kan materiaalwetenschappers nu helpen de "geschiedenis" van een bepaald materiaal te begrijpen. "Als ik de snelheid van plastische vervorming weet, dan kan ik de hoeveelheid orde van het materiaal in zijn uiteindelijke staat voorspellen. Alternatief, als je naar een materiaal kijkt en de microstructurele volgorde meet, dan kan ik je iets vertellen over het plastische vervormingsproces dat het daar heeft gedreven, " zegt mam.

De onderzoekers plannen nu aanvullende experimenten om overtollige entropie meer lokaal te berekenen en om te kijken naar systemen die nog meer ongeordend zijn dan die in dit experiment. Als ze ontdekken dat de fysische principes die in dit werk zijn vastgesteld, kunnen worden gegeneraliseerd naar andere soorten materialen, het zou de weg kunnen effenen voor nieuwe benaderingen die metingen op atomair niveau relateren aan gewenste mechanische eigenschappen. "Vervolgens, je zou kunnen leren hoe je een materiaal op een bepaalde manier voorbereidt, door sneller of langzamer te scheren, zodat je een scherm hebt dat niet breekt, ' zegt Arratia.