Een team onder leiding van de Universiteit van Tokyo heeft een nieuwe methode ontwikkeld om de structurele organisatie van ongeordende verzamelingen zachte schijven of bollen te begrijpen met behulp van een nieuwe benadering:de nadruk leggen op lokale mechanische eigenschappen die fundamenteel verschillen van eerdere benaderingen van geordende kristallen en ongeordende amorfe vaste stoffen. Vooral, de onderzoekers gerichte pakkingen waren het gevolg van het fenomeen "jamming, " waarin een vrij stromende substantie plotseling verstopt raakt naarmate de dichtheid toeneemt. Het werk kan helpen bij het ontwerpen van efficiëntere industriële materialen die minder snel kapot gaan onder externe belasting.

Stel je voor dat je op het strand zit te spelen met de zandhopen. Maar als je het kasteel probeert te versieren dat je net hebt gebouwd, je bent verrast om te ontdekken dat slechts een zeer kleine operatie tot de ineenstorting leidt. In dit geval, je hebt zojuist de "marginale stabiliteit" van amorfe vaste stoffen ontdekt, waardoor het systeem onverwacht zijn stabiliteit verliest. Hoewel amorfe vaste stoffen alomtegenwoordig van aard zijn en brede industriële toepassingen hebben, het kan een serieus probleem zijn voor onze veiligheid als ze uit elkaar vallen. De structurele organisatie van amorfe vaste stoffen, wat leidt tot marginale stabiliteit, is vrij complex en wordt nog steeds niet volledig begrepen. In feite, de meeste wetenschappers zijn van plan amorfe vaste stoffen te begrijpen met behulp van de gevestigde modellen van geordende kristallen, maar consensus is nooit bereikt.

"Ondanks intensieve studie gedurende tientallen jaren, de uniforme beschrijving van amorfe vaste stoffen moet nog stevig worden vastgesteld, " zegt eerste auteur Dr. Hua Tong.

Voor het huidige project de onderzoekers gebruikten computersimulaties van zachte schijven of bollen die bij lage dichtheden kunnen stromen, maar raken vast als ze stevig genoeg zijn verpakt. Hun belangrijkste inzicht was om de focus te verschuiven van geometrie naar het mechanische of vibrationele aspect van amorfe vaste stoffen. Het team introduceerde een nieuwe orderparameter die ze "vibrability, " die bepaalt hoeveel de atomen trillen wanneer ze oneindig klein worden verwarmd vanaf nultemperatuur. die collectieve trillingen in kristallen zijn, de trilbaarheid in een amorfe vaste stof is afhankelijk van de lokale omgeving, en varieert van plaats tot plaats gedurende het monster. De onderzoekers toonden aan dat locaties met een hoge vibratie overeenkomen met ongeordende "zachte plekken" die belangrijk zijn om te bepalen waar het systeem kan falen bij verstoringen.

Amorfe vaste stoffen zijn te vinden in een grote verscheidenheid aan vormen, toch lijken ze allemaal belangrijke kenmerken te delen wanneer ze worden onderzocht. "Een belangrijke observatie van amorfe vaste of vastgelopen pakkingen is dat, terwijl ze verschillende geometrische structuren hebben, ze vertonen vrij universele trillingskenmerken", zegt senior auteur prof. Hajime Tanaka. "De ontdekkingen uit computersimulaties zijn daarom van fundamenteel belang voor zowel theoretische als toepassingsdoeleinden."