Metaalglazen - legeringen die de kristallijne structuur missen die normaal in metalen wordt gevonden - zijn een opwindend onderzoeksdoel voor prikkelende toepassingen, inclusief kunstmatige gewrichten en andere medische implantaten. Echter, de moeilijkheden die gepaard gaan met het voorspellen hoeveel energie deze materialen vrijgeven wanneer ze breken, vertragen de ontwikkeling van op metaal gebaseerde producten op basis van glas.

Onlangs, een paar onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, New York, ontwikkelde een nieuwe manier om op atomair niveau te simuleren hoe metalen glazen zich gedragen als ze breken. Deze nieuwe modelleringstechniek kan het ontwerp van computerondersteunde materialen verbeteren en onderzoekers helpen de eigenschappen van metalen glazen te bepalen. Het duo rapporteert hun bevindingen in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde .

"Tot nu, echter, er is geen haalbare manier geweest om een ​​kwaliteit te meten die bekend staat als 'breukenergie, ' een van de belangrijkste breukeigenschappen van materialen, in simulaties op atomair niveau, " zei Yunfeng Shi, een auteur op papier.

Breukenergie is een fundamentele eigenschap van elk materiaal. Het beschrijft de totale energie die vrijkomt - per oppervlakte-eenheid - van nieuw gecreëerde breukvlakken in een vaste stof. "Het kennen van deze waarde is belangrijk om te begrijpen hoe een materiaal zich in extreme omstandigheden zal gedragen en kan beter voorspellen hoe een materiaal zal falen, " zei Binghui Deng, een andere auteur op het papier.

In principe, elke legering kan tot een metallisch glas worden gemaakt door productieomstandigheden zoals de afkoelingssnelheid te regelen. Om het juiste materiaal voor een bepaalde toepassing te selecteren, onderzoekers moeten weten hoe elke legering zal presteren onder stress.

Om te begrijpen hoe verschillende legeringen zich onder verschillende omstandigheden gedragen, de onderzoekers gebruikten een rekentool genaamd moleculaire dynamica. Deze computermodelleringsmethode houdt rekening met de kracht, positie en snelheid van elk atoom in een virtueel systeem.

In aanvulling, de berekeningen voor het model worden voortdurend bijgewerkt met informatie over hoe de breuken zich over een monster verspreiden. Dit type heuristisch computerleren kan de omstandigheden in de echte wereld het beste benaderen door rekening te houden met willekeurige veranderingen zoals breuken in een materiaal.

Hun model verklaart het complexe samenspel tussen het verlies van opgeslagen elastische energie door een uitbarstende breuk, en hoeveel het nieuw gecreëerde oppervlak van de scheur dat energieverlies compenseert.

"Computerondersteund materiaalontwerp heeft een belangrijke rol gespeeld in de productie en het is voorbestemd om in de toekomst een veel grotere rol te spelen, ' zei Shi.