Wanneer metalen glazen worden blootgesteld aan mechanische spanning, kunnen ze hun energie snel op een "broze" manier vrijgeven, wat betekent dat ze onverwachts breken, zonder duidelijke tekenen van vervorming of waarschuwing. Dit gedrag staat in contrast met veel andere materialen, zoals staal of hout, die "plastisch" vervormen, waarbij het materiaal permanent van vorm verandert, voordat het breekt.

Begrijpen hoe energie vrijkomt in metalen glazen is een grote uitdaging in de materiaalkunde, deels omdat de structuren van deze materialen buitengewoon gecompliceerd zijn. In tegenstelling tot traditionele metalen die regelmatige, kristallijne structuren bezitten, heeft metaalglas een ongeordende, vloeistofachtige structuur, vaak een 'bevroren vloeistof' genoemd.

De groep onder leiding van Matthew L. Wallach, een promovendus, en Juan de Pablo, de Irene en Frederic Posvar hoogleraar chemische en biologische technologie, heeft een computermodelleringstechniek bedacht die deze wanordelijke structuur van metaalglas vastlegt op een detailniveau dat was tot nu toe niet mogelijk.

In het model worden individuele atomen weergegeven als bollen, en wordt de potentiële energie van het systeem – de energie die ontstaat door de interactie tussen de atomen – berekend bij elke mogelijke atomaire configuratie. Het computerprogramma bepaalt vervolgens de volgorde van atomaire bewegingen die leidt tot de laagste potentiële energie, overeenkomend met een situatie waarin de structuur de meest stabiele evenwichtsconfiguratie heeft bereikt.

Deze structuur is vaak niet de structuur die het metallische glas daadwerkelijk heeft, omdat het materiaal gevangen kan zitten in een metastabiel energieminimum – een energieheuvel die niet het mondiale minimum is (mondiale stabiliteit betekent dat het systeem zich altijd zal ontspannen in die toestand). op tijd, met voldoende energie). Metastabiele toestanden komen voort uit concurrerende effecten op atomair niveau. In metalen glazen geven individuele atomen er bijvoorbeeld doorgaans de voorkeur aan om zo ver mogelijk van elkaar verwijderd te zijn, maar geometrische beperkingen kunnen atomen dwingen dichter bij elkaar te zitten dan ideaal is.

Metastabiliteit is een cruciaal materiaalontwerpconcept. Het beschrijft het verschil tussen het ideale en het echte, en het begrijpen ervan is de sleutel tot het ontwerpen van nieuwe materialen. Metastabiele toestanden kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om materialen te ontwerpen die sterker en taaier zijn, omdat het materiaal een hogere energiebarrière moet overwinnen om de atomaire configuratie te kunnen 'openritsen' en te veranderen.

Uit de huidige studie blijkt dat het 'openritsen' van gebieden op nanoschaal in de amorfe structuur als gevolg van de uitgeoefende kracht het materiaal uiteindelijk in staat stelt zich te ontspannen tot zijn ideale configuratie en zijn energie vrij te geven. Het computermodel voorspelt de locatie en kenmerken van deze defecten op nanoschaal voor verschillende soorten amorfe metalen, evenals de hoeveelheid energie die vrijkomt tijdens breuk.

Het model van de groep identificeert ook de meest waarschijnlijke paden waarlangs scheuren zich door het glas voortplanten en waar deze scheuren het meest waarschijnlijk eindigen. Deze informatie kan wetenschappers en ingenieurs helpen brosse breuken te voorkomen en materialen te ontwerpen die op een meer gecontroleerde of voordelige manier falen, waardoor de prestaties en veiligheid van deze veelzijdige materialen worden verbeterd.

De studie, ‘Nanoscale Plastic Events Control Fracture in Metallic Glasses’, werd op 19 november 2018 gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.