Wetenschappers van het Instituut voor Industriële Wetenschappen van de Universiteit van Tokyo gebruikten moleculaire dynamica-simulaties om de ongebruikelijke eigenschappen van amorfe vaste stoffen, zoals glas, beter te begrijpen. Ze ontdekten dat bepaalde dynamische defecten de toegestane vibratiemodi in het materiaal helpen verklaren. Dit werk kan leiden tot het beheersen van de eigenschappen van amorfe materialen.

Soms wordt duur glas geadverteerd als 'kristal', maar voor materiaalwetenschappers kan dit niet verder van de waarheid zijn. Kristallen worden gevormd door atomen die in ordelijke, zich herhalende patronen zijn gerangschikt, terwijl glas een ongeordende, amorfe vaste stof is. Wetenschappers weten dat bij lage temperaturen veel ongeordende materialen eigenschappen hebben die erg op elkaar lijken, waaronder soortelijke warmte en thermische geleidbaarheid. Bovendien verschillen deze eigenschappen aanzienlijk van die van materialen gemaakt van geordende kristallen. Bovendien hebben glasachtige materialen bij een bepaald frequentiebereik een groter aantal beschikbare vibratiemodi dan kristallen, in het veld bekend als de "bosonpiek". Hoewel er verschillende theorieën zijn voorgesteld, zijn de onderliggende fysieke mechanismen voor deze waarnemingen een kwestie van actief onderzoek gebleven.

Nu hebben wetenschappers van de Universiteit van Tokio geavanceerde computersimulaties voor moleculaire dynamica gebruikt om de transversale en longitudinale dynamische structuurfactoren van modelglazen over een breed scala aan frequenties numeriek te berekenen. Ze ontdekten dat snaarachtige trillingsbewegingen, waarbij gebogen lijnen van deeltjes die in een "C"-vorm in het materiaal zijn verpakt, samen kunnen bewegen, belangrijke aanjagers van de afwijkende effecten bleken te zijn. "Deze dynamische defecten bieden een algemene verklaring voor de oorsprong van de meest fundamentele dynamische modi van glasachtige systemen", zegt eerste auteur Yuan-Chao Hu. Naast de bosonpiek kunnen deze snaarachtige dynamische defecten de soorten snelle en langzame relaxatie veroorzaken die worden waargenomen in de deeltjes waaruit het glas bestaat.

Dit onderzoek heeft veel belangrijke implicaties voor zowel fundamentele wetenschap als industriële toepassingen, omdat de bosonpiek in veel systemen wordt aangetroffen, niet alleen in brillen. "We laten zien dat de bosonpiek afkomstig is van quasi-gelokaliseerde trillingen van snaarachtige dynamische defecten", zegt senior auteur Hajime Tanaka. Het kunnen uitleggen van deze functie zal licht werpen op vele andere soorten ongeordende materialen. Het zal ook de vele gebruikers van slimme apparaten ten goede komen, omdat bijna alle smartphones, tablets en laptops met touchscreen vertrouwen op glasmaterialen die de bevindingen van dit onderzoek kunnen verbeteren.

Het werk is gepubliceerd in Nature Physics . + Verder verkennen

Een licht schijnen op ongeordende en fractale systemen