Een smartphone op zijn glazen scherm laten vallen, die is gemaakt van atomen die aan elkaar zijn vastgelopen zonder waarneembare volgorde, zou kunnen leiden tot versplintering. In tegenstelling tot metalen en ander kristallijn materiaal, glas en vele andere ongeordende vaste stoffen kunnen niet significant worden vervormd voordat ze bezwijken en, vanwege hun gebrek aan kristallijnen orde, het is moeilijk te voorspellen welke atomen zouden veranderen tijdens het falen.

"Om te begrijpen hoe een systeem zijn herschikkingsscenario kiest, " zei Douglas Durian, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde aan de Universiteit van Pennsylvania, "we moeten verbinding maken met de onderliggende microscopische structuur. Voor kristallen, het is makkelijk; herschikkingen zijn bij topologische defecten zoals dislocaties. Voor ongeordende vaste stoffen, het is een heel moeilijk 40 jaar oud probleem dat we nu kraken:wat en waar zijn structurele defecten in iets dat ongeordend is?"

Om een ​​verband te vinden tussen schijnbaar ongelijksoortige ongeordende materialen, een interdisciplinaire samenwerking tussen Penn-onderzoekers van de School of Arts and Sciences en de School of Engineering and Applied Science met expertise in verschillende materialen bestudeerde een ongekende reeks ongeordende vaste stoffen met samenstellende deeltjes variërend van individuele atomen tot riviergesteenten. Inzicht in materiaalfalen op een fundamenteel niveau zou de weg kunnen banen voor het ontwerpen van meer breukvaste glazen of het voorspellen van geologische verschijnselen zoals aardverschuivingen.

In een paper gepubliceerd in Wetenschap , de Penn-onderzoekers onthulden overeenkomsten tussen deze ongeordende systemen, het definiëren van een tegenhanger van de "defecten" die betrokken zijn bij het falen van kristallijne materialen. Deze zogenaamde "zachtheid" in ongeordende systemen voorspelt de locatie van defecten, welke de verzameling deeltjes zijn die het meest waarschijnlijk veranderen wanneer het materiaal faalt.

De onderzoekers gebruikten een techniek ontwikkeld door Durian met Penn Ph.D. afgestudeerd Samuel Schoenholz, en Harvard University Ph.D. afgestudeerd Ekin Dogus Cubek, beide momenteel bij Google Brain; Andrea Liu, Hepburn hoogleraar natuurkunde aan Penn's School of Arts and Sciences; en Efthimios Kaxiras, John Hasbrouck Van Vleck Hoogleraar Zuivere en Toegepaste Natuurkunde, Harvard School of Engineering en Toegepaste Wetenschappen. Liu en Daniel Gianola, toen een professor aan de Penn's School of Engineering and Applied Science's Department of Materials Science and Engineering en nu aan de University of California, Santa Barbara, leidde de studie. Daniel Strickland en Robert Ivancic, beide afgestudeerde studenten aan Penn, zijn eerste auteurs, samen met Cubuk en Schoenholz.

De paper is het resultaat van jarenlang onderzoek in Penn's Materials Research Science &Engineering Center (MRSEC), dat wordt gehost door het Laboratory for Research on the Structure of Matter. Liu en Robert Carpick, John Henry Towne Professor en leerstoel Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica aan Penn waren co-leiders van de geïntegreerde onderzoeksgroep van de MRSEC, gericht op de mechanica van ongeordende pakkingen.

Een tiental docenten van de groep, samen met studenten en postdoctorale onderzoekers uit hun labs, bijgedragen aan het onderzoek, het verstrekken van gegevens van 15 simulaties en experimenten op verschillende soorten ongeordende systemen. De deeltjes in die systemen varieerden in grootte van koolstofatomen die slijtvaste motorcoatings vormen tot centimetergrote plastic bollen in een modelrivierbedding.

Met behulp van machinaal leren, de onderzoekers verzamelden honderden hoeveelheden die de rangschikking van deeltjes in elk systeem karakteriseren, hoeveelheden die individueel naar verwachting niet veel zullen onthullen. belangrijk, ze vonden de combinatie van deze grootheden die sterk correleert met de dynamiek. Dit produceerde een microscopische structurele eigenschap die zachtheid wordt genoemd. Als zachtheid bekend is, het gedrag van het ongeordende materiaal en hoe waarschijnlijk het is dat de samenstellende deeltjes zich herschikken, kan worden voorspeld.

De systemen die de onderzoekers bestudeerden, werden herschikt als gevolg van willekeurige thermische fluctuaties of verschillende soorten uitgeoefende stress, zoals knijpen of strekken. In alle gevallen, de techniek werkte goed, en de onderzoekers waren in staat om met hoge nauwkeurigheid de waarschijnlijkheid te voorspellen dat de systemen zouden herschikken.

De onderzoekers vergeleken vervolgens eigenschappen tussen systemen. Ze ontdekten dat de lengteschaal waarover zachtheid gecorreleerd was identiek was aan de grootte van herschikkingen, of het aantal deeltjes dat beweegt wanneer er een storing optreedt. Opmerkelijk, ze ontdekten dat dit aantal bijna identiek is in al deze systemen, ongeacht de grootte van de deeltjes en hoe ze op elkaar inwerken.

"Mensen praten al 40 jaar over wat de grootte van gelokaliseerde herschikkingen in ongeordende vaste stoffen bepaalt, Liu zei. "Ze speculeerden over plaatselijke defecten die ze shear-transformatiezones noemden in wanordelijke systemen waar herschikkingen waarschijnlijk zullen optreden, maar niemand had dit direct gezien. Ze konden niet van tevoren voorspellen waar herschikkingen zouden plaatsvinden. Met machinaal leren, we zeggen, 'Laten we het systeem trainen. Laten we eens kijken naar de herschikkingen en de structuren en kijken of we kunnen achterhalen wat belangrijk is en dat dan gebruiken.' Het is conceptueel heel eenvoudig, maar het blijkt zeer krachtig te zijn."

De onderzoekers maten ook de opbrengststam, of hoeveel de vaste stof kan worden vervormd voordat deze plastisch begint te vervormen. Ze ontdekten ook dat de opbrengstbelasting ongeveer hetzelfde is voor alle ongeordende vaste stoffen over systemen die 13 ordes van grootte overspannen in hun mechanische stijfheid. Ter vergelijking, de opbrengststammen voor verschillende kristallijne materialen kunnen honderd- of duizendvoudig variëren.

Nu de onderzoekers hebben aangetoond dat tot en met wanneer stress wordt toegepast, al deze systemen zien er hetzelfde uit, de volgende stap van de inspanning wordt mede geleid door Durian en Paulo Arratia, hoogleraar werktuigbouwkunde en toegepaste mechanica aan de School of Engineering and Applied Science. Hun doel is om verder te gaan dan opbrengst, waar alles chaos wordt en de systemen er heel anders uit gaan zien. Sommige systemen breken, anderen tonen schaarbanden en anderen, zoals schuim, voor altijd soepel kan stromen.

"Als er een herschikking plaatsvindt, de zachtheid van de nabije deeltjes verandert allemaal, "Duriaan zei, "maar, dankzij elastische koppelingen met een groot bereik, zo kunnen de zachtheden van deeltjes zelfs vrij ver weg, zoals geïllustreerd door deze gegevens. Dus, een herschikking heeft een niet-triviaal effect op waar de volgende herschikkingen waarschijnlijk zullen plaatsvinden. Vooral, zullen herschikkingen in de buurt worden aangemoedigd en daardoor shear banding worden bevorderd, of zullen ze worden ontmoedigd en daardoor taaiheid bevorderen? Wij geloven dat het begrijpen en uiteindelijk beheersen van het complexe samenspel tussen herschikkingen, spanning, en structuur - hier gekwantificeerd door zachtheid - is de sleutel tot het verbeteren van de taaiheid."

Als de onderzoekers kunnen begrijpen waarom verschillende systemen zich anders gedragen dan opbrengst, ze kunnen mogelijk de zachtheid beheersen en hoe het evolueert wanneer het onder stress staat. Dit kan leiden tot hardere coatings en materialen, zoals duurzamere glazen schermen voor telefoons.

"Ongeordende vaste stoffen hebben veel geweldige eigenschappen, " zei Liu. "Je kunt ze in elke gewenste vorm gieten of oppervlakken creëren die atomair glad zijn, wat je niet echt kunt doen met kristallijne systemen. Maar ze hebben de neiging om gemakkelijk te breken. Als we kunnen begrijpen wat dat regelt en hoe we het kunnen voorkomen, dan beginnen de concepten echte toepassingen te krijgen. In een ideaal geval we willen nieuwe, hardere materialen die niet zo broos zijn of niet zo catastrofaal uit elkaar vallen."