Wetenschap
Variatie in de zachtheid van bouwstenen zorgt voor zachtere amorfe materialen
Wetenschappers van de Tokyo Metropolitan University hebben een nieuw model voor wanordelijke materialen gecreëerd om te bestuderen hoe amorfe materialen stress weerstaan. Ze behandelden groepen atomen en moleculen als zachte bollen met variërende zachtheid.
Door hun model onder de loep te nemen, ontdekten ze onverwachte verschillen tussen hardere regio's en waar de krachten geconcentreerd waren, waarbij gebieden daartussen "verhardden" en zo langwerpige "krachtketens" produceerden. Hun bevindingen verschijnen in Wetenschappelijke rapporten , beloven nieuwe inzichten in het ontwerpen van betere materialen.
Als het gaat om het bouwen van harde materialen, is het gebruik van harde ingrediënten niet voldoende. Als beton bijvoorbeeld bezwijkt tijdens aardbevingen, worden de krachten die worden gegenereerd op bepaalde plaatsen geconcentreerd, waardoor er scheuren ontstaan. Het is bekend dat de overdracht van krachten via amorfe vaste stoffen zoals beton en cement goed gedefinieerde paden volgt die bekend staan als 'krachtketens'.
Het ontcijferen van hoe ze ontstaan zou een grote bijdrage leveren aan het begrijpen van hoe dergelijke vaste stoffen zich onder stress gedragen, maar het is nog niet bekend hoe ze ontstaan en hoe ze zich verhouden tot materiaaleigenschappen.
Dit inspireerde een team van onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University onder leiding van professor Rei Kurita om eenvoudige, handelbare modellen van amorfe materialen te bouwen die ons zouden kunnen leren hoe krachtketens ontstaan. In plaats van eenvoudigweg de beweging van alle atomen in een bepaald materiaal te simuleren, besloten ze groepen atomen weer te geven met bollen van verschillende stijfheid, om weer te geven hoe die groepen op krachten reageren.
De materialen die ze bestudeerden werden vervolgens gekarakteriseerd door de mate waarin de stijfheid in de ruimte varieerde, en hoe breed de patronen van harde en zachte gebieden waren.
Door hun reeks zachte deeltjes te vervormen, keken ze eerst of de lokale stijfheid correleerde met de overdracht van krachtketens. Aanvankelijk leek het erop dat er een duidelijke correlatie bestond tussen hardere regio's en krachtketens. Uit verdere analyse blijkt echter dat krachtketens meer snaarachtig van vorm zijn en niet zo goed correleren met geïsoleerde harde gebieden.
Om deze discrepantie te begrijpen bestudeerde het team een eenvoudiger model van twee stijve gebieden, gescheiden door een zachtere regio. Hierbij werd vastgesteld dat de zachtere regio dichter wordt, waardoor de hoge krachten worden gegenereerd die nodig zijn om de ketting draaiende te houden. Dit is een eerste blik op de fundamentele mechanismen van hoe krachtketens met elkaar verbonden zijn.
-
Verdelingen van hardere regio's (links) en krachtketens (rechts). Hoewel ze wel met elkaar correleren, verbinden krachtketens zich tot snaarachtige structuren. Credit:Tokyo Metropolitan University -
(a) De energie als gevolg van deeltjesinteracties neemt af bij grotere variaties in de stijfheid van de deeltjes, en de lengteschaal waarop patronen in stijfheid blijven bestaan (xi in de legenda). (b) De verandering in energieschalen op een specifieke manier met variatie in stijfheid. (c) Dezelfde schaling wordt gevonden voor variaties in dichtheid. (d) Hoeveelheden kunnen opnieuw worden geschaald om aan te tonen dat ze allemaal dezelfde fysieke principes weerspiegelen. Credit:Tokyo Metropolitan University
Maar hoe beïnvloeden deze variaties de eigenschappen van het materiaal? Het blijkt dat grotere variaties in zachtheid en bredere zachte/harde gebieden beide leiden tot consistent zachtere materialen, evenals grotere variaties in lokale dichtheid. De conclusie die we kunnen trekken is dat zelfs met dezelfde bouwstenen amorfe materialen met een meer uniforme stijfheid een harder materiaal opleveren vanwege een gelijkmatigere verdeling van de krachtketens.
Hoewel de opkomst van stijfheidsvariaties in echte materialen onontgonnen blijft, hoopt het team dat hun nieuwe model en mechanisme de weg vrijmaken voor ontwerpprincipes om betere materialen te maken.