Overuren, wanneer een metalen glas onder spanning wordt gezet, zijn atomen zullen verschuiven, glijden en vormen uiteindelijk banden waardoor het materiaal meer vatbaar is voor breuk. Wetenschappers van Rice University hebben nieuwe rekenmethoden ontwikkeld op basis van een algemene briltheorie om uit te leggen waarom.

Een nieuwe krant in de Proceedings van de National Academy of Sciences door Rice-fysicus Peter Wolynes en voormalig afgestudeerde student Apiwat Wisitsorasak leggen een basis om te berekenen hoe alle soorten glas in de loop van de tijd veranderen wanneer ze onder mechanische belasting worden geplaatst. Hun formules kunnen wetenschappers en fabrikanten helpen glas beter te maken voor specifieke toepassingen.

Metaalglazen zijn legeringen die een glasachtige, ongeordende structuur hebben in plaats van de polykristallijne structuren van bekende metalen. Ze kunnen zowel bros als taai zijn tot op zekere hoogte en kunnen worden gemaakt in complexe vormen, zoals de hoofden van golfclubs. In tegenstelling tot vensterglas, ze zijn geleidend en kunnen nuttig zijn voor elektronica.

uiterlijk, glas lijkt misschien solide, maar de willekeurige reeks moleculen binnenin is altijd in beweging, zei Wolynes. Het is al decennia bekend dat bij stress, glazen zullen breekbanden vormen, lijnen die de spanning lokaliseren. Er zijn veel ideeën naar voren gebracht over hoe dit gebeurt, maar nu kan de Rice-groep het fenomeen verklaren met behulp van een algemene theorie over hoe glazen worden gevormd op basis van energielandschappen.

Wolynes heeft zijn langlopende studie van de moleculaire eigenschappen van glas voortgezet bij Rice's Centre for Theoretical Biological Physics (CTBP), waar hij ook de fysica van energielandschappen voor eiwit- en DNA-vouwing ontwikkelt. Zijn motivatie voor het nieuwe werk was om te zien of de vorming van afschuifbanden kon worden verklaard door berekeningen die beschrijven hoe stress de snelheid van atomaire herschikking in het glas verandert.

"Mijn directe interesse is om te laten zien dat dit fenomeen van de schaarbanden, wat opvalt in metalen materialen, kan worden begrepen als onderdeel van de verenigde theorie van de bril, "zei hij. Die theorie, decennia gevormd door Wolynes en collega's, beschrijft veel aspecten van hoe glazen worden gevormd wanneer een vloeistof wordt afgekoeld.

Hij zei dat twee factoren de vorming van breekbanden in metalen glazen veroorzaken. "Een daarvan is dat wanneer glas wordt gevormd, het is op sommige plaatsen een beetje zwakker dan op andere. Wat dat betreft, de banden zijn gedeeltelijk in het glas geprogrammeerd.

"De andere factor is het element van willekeur, " zei hij. "Alle chemische reacties vereisen concentratie van energie in een bepaalde bewegingsmodus, maar beweging in glas is bijzonder complex, dus je moet wachten tot er toevallig een activerende gebeurtenis plaatsvindt. Je hebt een soort nucleatiegebeurtenis nodig."

Deze schijnbaar willekeurige "activeringsgebeurtenissen, " moleculaire koppelingen die van nature plaatsvinden als een onderkoelde vloeistof stroomt, worden zeldzaam wanneer het glas zijn vorm aanneemt, maar stijgen wanneer het glas wordt gestrest. De gebeurtenissen veroorzaken de coöperatieve beweging van aangrenzende moleculen en resulteren uiteindelijk in afschuifbanden.

de banden, de onderzoekers schreven, markeer gebieden met een hoge mobiliteit en waar lokale kristallisatie kan optreden en laat zien waar het glas uiteindelijk zou kunnen falen.

Wolynes zei dat de willekeurige eerste-orde overgangstheorie wetenschappers in staat stelt om "dingen te zeggen over de statistieken van deze gebeurtenissen, hoe groot ze zijn en de betrokken regio's, zonder een complete gebeurtenis te moeten simuleren met behulp van moleculaire dynamica-simulatie.

"Dit opent de mogelijkheid om realistische berekeningen te maken over de sterkte van glas en, zeker, metalen bril. Men zou ook de kenmerken van kristallisatie en breuken aan het model kunnen toevoegen, die interessant zouden zijn voor materiaalwetenschappers die aan praktische toepassingen werken, " hij zei.

Wolynes en Wisitsorasak testten hun ideeën op een tweedimensionaal computermodel van Vitreloy 1, een metallisch glas ontwikkeld aan het California Institute of Technology dat "bevriest" bij de glasovergangstemperatuur van 661 graden Fahrenheit.

De onderzoekers zetten het model onder druk, de maanden die nodig waren voor een praktische studie in seconden ineen gestort en gekeken hoe het materiaal afschuifbanden vormt, precies zoals gezien door laboratoria en in overeenstemming met de gevestigde theorie, zei Wolynes.

Computermodellen zijn de beste keuze voor dergelijke studies, hij zei, omdat laboratoriumexperimenten maanden of jaren kunnen duren voordat ze vruchten afwerpen. "Ons werk vormt de basis voor een nieuwe manier om de mechanische eigenschappen te modelleren van glasachtige materialen die stromen, evenals dit vreemde fenomeen waarbij het effect dat je ziet macroscopisch is, maar het wordt eigenlijk veroorzaakt door gebeurtenissen op nanoschaal, " hij zei.