Фізика
Фізика

Міцність скла пояснили самоорганізацією частинок під час охолодження

Фізики з Токійського університету пояснили фізичні процеси, які призводять до затвердіння скла. Його перехід від рідкої фази до твердої під час охолодження зумовлює самоорганізація частинок під дією їх впливу одна на одну. Не зважаючи на те, що скло є аморфною речовиною, комп’ютерне моделювання показало, що своєї міцності воно набуває завдяки каркасу з неорганізованих частинок. Вони утворюють мережу, а їхня нескомпенсована сила призводить до механічної напруги в структурі скла, повідомляють вчені в журналі Nature Communications.

Що робить скло міцним?

Виявилося, що за зниження температури до критичної позначки в такій напруженій системі, як скло, з'являється велика кількість частинок, на які впливає залишкова нескомпенсована сила з боку інших. Якщо число таких частинок досягає перколяційної межі, то поля напружень для окремих частинок починають утворювати довгі пов'язані ланцюжки, які проходять через весь матеріал. Тобто після охолодження, кількість частинок, які несуть силу, збільшується, поки їхня мережа, що охоплює всю систему, не з'єднається разом. Впорядкована кристалічна структура при цьому не формується, проте, виникає мережа механічних зв'язків, тобто ланцюжки цих частинок самоорганізовуються і дозволяють склу набувати його властивостей. Відкриття вчених відкриває шлях до кращого розуміння механіки всередині аморфних твердих тіл. А оскільки тверде і міцне скло широко використовується для смартфонів, планшетів і кухонного посуду, ця робота може знайти безліч практичних застосувань.

Як вчені змогли це пояснити?

Щоб пояснити виникнення твердості у скла при температурі вище нуля, фізики змоделювали на комп'ютері процес переходу переохолодженої рідини в склоподібний стан. Використана вченими комп'ютерна модель являла собою двовимірну або тривимірну систему, що складається з декількох тисяч твердих сферичних частинок, які відштовхуються одна від одної за гармонійним законом. В результаті моделювання авторам роботи вдалося в деталях вивчити, що відбувається в процесі перетворення скла з рідини в тверду аморфну структуру та як при переході змінюється поле внутрішньої напруги всередині матеріалу. Таким чином вони показали, що нетривіальна самоорганізація в невпорядкованих структурах аморфних матеріалів може призводити до появи кореляцій механічних властивостей скла, а отже бути причиною твердості.

Просторовий розподіл силових частинок, які утворюють ланцюжки, при різних температурах у твердій фазі (a), при критичній температурі (b) та в рідинній фазіі (c) / Nature Communications, 2020

Просторовий розподіл силових частинок, які утворюють ланцюжки, при різних температурах у твердій фазі (a), при критичній температурі (b) та в рідинній фазіі (c) / Nature Communications, 2020

Цей процес був досі невідомим?

Скло належить до аморфних речовин, а отже атоми всередині його структури не мають суворого порядку розташування і не утворюють кристалічних ґраток. Тому фізичні процеси, які приводять до основних властивостей скла, таких як його міцність, досі залишалися одним з нерозв’язаних питань фізики. Основною перешкодою було те, що внутрішня напруга в аморфних тілах не виникає через дію потенційних сил і не зникає навіть при знятті зовнішнього навантаження. 2018 року французький фізик Ерік Дежюлі (Eric DeGiuli) розробив статистичну теорію поля, яка описує таку поведінку аморфних твердих тіл, але свій аналіз він провів за умови дуже низьких температур, яких рідко можна досягти на практиці.