Onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Tokyo gebruikten een nieuw computermodel om de netwerken van krachtdragende deeltjes te simuleren die amorfe vaste stoffen hun kracht geven, hoewel ze geen langeafstandsorde hebben. Dit werk kan leiden tot nieuwe ontwikkelingen op het gebied van hoogwaardig glas, die kan worden gebruikt om te koken, industrieel, en smartphone-applicaties.

Amorfe vaste stoffen zoals glas kunnen, ondanks dat ze bros zijn en deeltjes bevatten die geen geordende roosters vormen, een verrassende sterkte en stijfheid bezitten. Dit is des te onverwachter omdat amorfe systemen ook last hebben van grote anharmonische fluctuaties. Het geheim is een intern netwerk van krachtdragende deeltjes die de hele vaste stof omspannen en het systeem kracht geven. Deze vertakking, dynamisch netwerk werkt als een skelet dat voorkomt dat het materiaal bezwijkt voor stress, ook al vormt het slechts een klein deel van de totale deeltjes. Echter, dit netwerk vormt zich pas na een 'percolatietransitie' wanneer het aantal krachtdragende deeltjes een kritische drempel overschrijdt. Naarmate de dichtheid van deze deeltjes toeneemt, de kans dat een percolerend netwerk dat van het ene uiteinde naar het andere gaat, toeneemt van nul tot bijna zeker.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Instituut voor Industriële Wetenschappen van de Universiteit van Tokyo hebben computersimulaties gebruikt om de vorming van deze percolerende netwerken nauwkeurig te laten zien wanneer een amorf materiaal wordt afgekoeld tot onder de glasovergangstemperatuur. Bij deze berekeningen mengsels van binaire deeltjes werden gemodelleerd met afstotende potentialen met een eindig bereik. Het team ontdekte dat de sterkte van amorfe materialen een opkomende eigenschap is die wordt veroorzaakt door de zelforganisatie van de ongeordende mechanische architectuur.

"Bij nul temperatuur, een vastgelopen systeem vertoont lange-afstandscorrelaties in stress vanwege het interne percolatienetwerk. Deze simulatie toonde aan dat hetzelfde geldt voor glas nog voordat het volledig is afgekoeld, " zegt eerste auteur Hua Tong.

De krachtdragende ruggengraat kan worden geïdentificeerd door te erkennen dat deeltjes in dit netwerk verbonden moeten zijn door ten minste twee sterke krachtbindingen. Bij afkoeling, het aantal krachtdragende deeltjes neemt toe, totdat een systeemoverspannend netwerk met elkaar verbonden is.

"Onze bevindingen kunnen een weg openen naar een beter begrip van amorfe vaste stoffen vanuit een mechanisch perspectief, " zegt senior auteur Hajime Tanaka. Sinds rigide, duurzaam glas wordt zeer gewaardeerd voor smartphones, tabletten, en kookgerei, het werk kan veel praktische toepassingen vinden.

Het werk is gepubliceerd in Natuurcommunicatie als "Opkomende stevigheid van amorfe materialen als gevolg van mechanische zelforganisatie."