Раскрыт секрет аномальной прочности стекла
Удивительно, но твердое стекло на самом деле намного более жесткое и прочное, чем должно быть технически, если рассматривать его молекулярный состав. Но почему?
С помощью новой компьютерной модели исследователи решили выяснить, как атомные частицы стекла удерживают его воедино, несмотря на отсутствие традиционно упорядоченной структуры. Новое исследование показало, что на самом деле составляющие стекло частицы могут сформировать прочный каркас еще до того, как вещество полностью остынет.
Расчеты показали, что каркас частиц, воспринимающих деформации внутри вязкого стекла, успешно соответствует порогу перколяции — точке, в которой эта «сетка» из частиц становится достаточно плотной, чтобы поддерживать материал и сохранять его прочность.
Когда гранулированный материал сжимается так сильно, что он образует твердое тело (представьте, например, уплотнение песчинок в породу), исследователи описывают полученное твердое тело как «заблокированую систему». Эти системы имеют некоторое сходство с тем, что происходит в охлаждающемся стекле, и для сравнения этих состояния команда прибегла к помощи компьютерного моделирования.
«При нулевой температуре заблокированная система будет демонстрировать корреляции напряжения из-за особенностей своего состава. Оказалось, что тот же принцип верен и для стекла, даже до того, как оно полностью остынет и затвердеет», — рассказал физик Хуа Тонг из Шанхайского университета Цзяо Тонг в Китае.
Стекло является частью группы аморфных твердых тел, у которых отсутствуют нормальный порядок и структура решетки молекул, которые встречаются в кристаллах. И это несмотря на то, что эти тела столь же прочны, как и кристаллы, в своей охлажденной форме.
Вместо строгой структуры лишь небольшая часть всех частиц воспринимает напряжение посреди общего хаоса и беспорядка с микроскопической точки зрения. Тем не менее, эти частицы должны сначала распространиться по всему материалу. Новая работа объясняет, как происходит этот процесс, когда материал претерпевает затвердевание после плавления.
Ученые объясняют, что частицы внутри сети должны быть связаны как минимум двумя прочными связями. Лишь так может образоваться сеть, которая связывает всю систему вместе, даже если большая часть молекулярной структуры все еще неупорядочена.
Стекло — один из самых интересных материалов для изучения, не в последнюю очередь потому, что оно сильно меняется в зависимости от степени нагрева и охлаждения. При очень низких температурах оно даже переходит в особое, новое состояние вещества.
«Наши открытия могут открыть путь к лучшему пониманию аморфных твердых тел с механической точки зрения», — пишут ученые. На практике это значит, что в будущем нас ожидает появление нового поколения сверхпрочных стекол, которые можно будет применять даже в экстремальных условиях, например в дальних космических путешествиях.
