UO-onderzoekers hebben ontdekt dat moleculen in glasmaterialen zich net zo gedragen als deeltjes in zand en rotsen als ze samenklonteren, een mechanisme dat verkenningen van gecondenseerde materie en complexe systemen zou kunnen stimuleren.

Het werk laat zien dat glasachtige materialen hun organisatiestructuur veranderen om zich als zand te gedragen wanneer ze vastlopen, of gecomprimeerd tot het punt van het veranderen van vloeistof naar stijf. De ontdekking vergroot het begrip van thermische beweging en trillingstoestanden die optreden wanneer materialen vastlopen.

De ontdekking werd gedetailleerd beschreven in een studie gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven dat onderzoekt wat er gebeurt als glasmaterialen snel worden samengeperst of afgekoeld. In de macrowereld dat soort vastlopen is te zien aan de manier waarop graan door een trechter of zand in een zandloper beweegt.

De nieuw gevonden overeenkomst is belangrijk voor onderzoekers op het gebied van gecondenseerde materie en complexe systemen, en opent nieuwe manieren om glasachtige materialen te verkennen door middel van computationele fysica, zei Francesco Arceri, de hoofdauteur van de studie en een promovendus in het laboratorium van de afdeling Natuurkunde van Eric Corwin.

"Onze modellering toonde aan dat de manier waarop glazen reageren op mechanische verzoeken hetzelfde is als voor korrelige materialen, Arceri zei. "De mechanische reactie van een materiaal heeft betrekking op hoe warmte er doorheen wordt overgedragen, dus dit werk zorgt voor een beter begrip van waarom thermische en mechanische eigenschappen van glas zo verschillen van die van andere vaste stoffen, als kristallen."

Onderzoekers in het laboratorium van Corwin ontwikkelen algoritmen voor het modelleren van harde en zachte bollen op supercomputers om materiële structuren te bestuderen voor hun geometrische handtekeningen van storing, waarbij bij het begin van de stijfheid alle deeltjes hetzelfde aantal contacten hebben.

Corwin maakt deel uit van een internationaal team dat de overgang van vloeistof naar glas bestudeert als temperatuur- en drukverandering in het kader van een Simons Foundation "Cracking the Glass Problem"-initiatief dat begon in 2016. Een National Science Foundation Career Award voor Corwin ondersteunde het onderzoek ook.

Glas in zijn vaste vorm is een verzameling colloïden, kleine deeltjes onder zeer sterke druk. Dat vaste glasdeeltjes zo sterk lijken op korrelig materiaal, Arceri zei, "Het is opmerkelijk omdat colloïden vastlopen wanneer ze sterk worden samengedrukt in de limiet van oneindige druk, terwijl korrels vastlopen wanneer de druk nul is en deeltjes elkaar niet overlappen."

"Deze verbinding opent nieuwe vergelijkingsmogelijkheden die voorheen niet beschikbaar waren, " schreef C. Patrick Royall van de Universiteit van Bristol in het Verenigd Koninkrijk, in een commentaar in het tijdschrift Physics over de betekenis van het papier.

De UO-onderzoekers, Royal merkte op, misbruikte een maas in de wet over jamming door er van onderaf naar te kijken in plaats van te focussen op het begin van een jamming-overgang. Het UO-team vond op beide punten van het proces hetzelfde gedrag.

"Arceri en Corwin waren in staat om harde bollen in hun simulaties effectief af te koelen tot bijna nul temperatuur en ze te behandelen als een korrelig materiaal, met effectieve interacties wanneer de deeltjes elkaar niet raken, " schreef Royall. "Het systeem was mechanisch stabiel bij het oppakken van fracties die minder waren dan vastlopen - dus net als de glasovergang, het was mogelijk om de storing van onderaf te benaderen."