Hua Tong et al. / Nature Communications, 2020
С помощью компьютерного моделирования физики показали, как и почему стекло становится твердым при охлаждении. Оказалось, что при превращении переохлажденной жидкости в аморфное твердое тело в материале возникает обширная разветвленная сеть частиц, на которые действует нескомпенсированная сила со стороны соседей. Это приводит к возникновению дальнодействующих корреляций в поле механических напряжений внутри стекла. Именно такие сети и делают стекло твердым, несмотря на его аморфную структуру, пишут ученые в Nature Communications.
В структуре стекол, в отличие от структуры кристаллов, дальнего порядка нет. Это аморфные системы — положение и ориентация соседних элементов (например тетраэдров SiO4 в случае силикатного стекла) в них жестко связаны, но при увеличении расстояния между элементами эта связь полностью теряется. В кристаллах именно система жестких химических связей обеспечивает твердость и не дает им разрушаться, а что служит заменой кристаллической структуре в аморфных телах и делает твердыми их, до сих пор до конца не понятно.
В 2018 году французский физик Эрик Дежюли предложил теоретическое объяснение твердости стекол при температуре абсолютного нуля. Его теория связывает напряженное состояние в аморфном твердом материале в отсутствие внешней нагрузки и температурных флуктуаций с размерностью пространства и показывает, что, несмотря на отсутствие упорядоченной структуры, в аморфном материале есть дальнодействующие корреляции в поле внутренних напряжений. Для любых аморфных твердых тел корреляционная функция изменяется по степенному закону 1/rd для d-мерного пространства. Однако, несмотря на то, что эта теория была подтверждена и с помощью эксперимента, и с помощью компьютерного моделирования, строгого объяснения твердости аморфных тел при ненулевой температуре она не дает.
Чтобы объяснить возникновение твердости у стекол при температуре выше нуля, физики из Японии, Китая и Индии под руководством Хадзимэ Танаки (Hajime Tanaka) из Токийского университета смоделировали на компьютере процесс перехода переохлажденной жидкости в стеклообразное состояние при охлаждении ниже температуры стеклования. Использованная учеными компьютерная модель представляла собой двумерную или трехмерную систему, состоящую из нескольких тысяч твердых сферических частиц двух размеров, которые отталкиваются друг от друга по гармоническому закону.
Частицы, которые образуют цепочки, связанные силовыми полями, при разных температурах: слева — в твердом состоянии, по центру — при температуре перехода, справа — в жидком состоянии
Hua Tong et al. / Nature Communications, 2020
В результате моделирования авторам работы удалось в деталях изучить, что происходит в процессе неравновесного превращения жидкости в твердую стеклообразную аморфную структуру: как при переходе меняются поле внутренних напряжений внутри материала и вид корреляционной функции. Эти наблюдения физики связали с изменением структуры материала.
Слева — пространственная корреляция сдвиговых напряжений в стекле, справа — зависимость усредненной по углу корреляции сдвиговых напряжений от расстояния при разных температурах
Hua Tong et al. / Nature Communications, 2020
Оказалось, что при снижении температуры до критического значения в напряженной системе появляется большое количество частиц, на которые со стороны других частиц действует сила, которую не удается скомпенсировать. Если число таких частиц с остаточной нескомпенсированной силой достигает перколяционного предела, то поля напряжений для отдельных частиц начинают перекрываться таким образом, что они образуют длинные связанные цепочки, проходящие через весь материал. В результате возникновения сложных разветвленных сетей влияющих друг на друга частиц в системе возникают механические корреляции. Упорядоченная кристаллическая структура при этом не формируется, но возникает сеть механических связей между отдельными элементами.
Авторы работы таким образом показали, что нетривиальная самоорганизация в неупорядоченных структура может приводить к появлению дальнодействующих корреляций в полях механических свойств стекла, а следовательно быть причиной твердости аморфных материалов. Ученые отмечают, что результат тем более удивителен, что в системе в результате образования разветвленной сети частиц с нескомпенсированной нагрузкой возбуждается большое число ангармонических флуктуаций, которые, тем не менее, не мешают возникновению дальнодействующих механических корреляций. По словам авторов, их открытия помогут лучше понять механику аморфных твердых тел, что в будущем поможет при создании стекол для смартфонов, компьютеров или посуды.
В прошлом году ученым удалось создать тонкие неорганические стекла, которые можно растягивать, сжимать и изгибать без появления трещин при комнатной температуре. Для этого ученые использовали аморфный оксид алюминия, из которого пока, правда, можно делать лишь небольшие тонкие пленки.
Александр Дубов