Nuova ricerca pubblicata su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze descrive come le forze esterne guidano il riarrangiamento delle singole particelle e modellano le strutture microlivello nei materiali disordinati. Lo studio, condotto dallo studente laureato Larry Galloway, postdoc Xiaoguang Ma, e docenti Paulo Arratia, Douglas Jerolmack, e Arjun Yodh, fornisce nuove intuizioni su come la struttura microscopica di disordinati, solidi simili al vetro è correlato a fattori di stress esterni e ai conseguenti cambiamenti nei movimenti delle singole particelle. Questi risultati forniscono potenziali nuovi approcci per la creazione di materiali personalizzabili con proprietà meccaniche uniche.

Attraverso la storia, le persone hanno cercato modi per rendere i materiali più resistenti, flessibile, e durevole, che si tratti di spade d'acciaio di Damasco o di gomma vulcanizzata. Oggi, le tecnologie di imaging all'avanguardia consentono agli scienziati di studiare i materiali a livello atomico, ma anche con questa risoluzione avanzata rimane una sfida studiare i materiali quando sono sottoposti a forze esterne. Ciò rende difficile sviluppare approcci di progettazione "dal basso verso l'alto" in grado di conferire ai materiali proprietà meccaniche specificate.

Una classe di materiali particolarmente impegnativi, sia da studiare che da manipolare, è materiale disordinato. A differenza dei materiali ordinati, che hanno strutture cristalline con atomi in posizioni prevedibili ben definite, come su un reticolo a nido d'ape, gli atomi nei materiali disordinati sono disposti casualmente, come granelli in un mucchio di sabbia. Materiali disordinati, come il vetro utilizzato negli schermi degli smartphone, hanno molte proprietà utili ma sono fragili se fatte cadere o schiacciate.

Per capire meglio come i materiali disordinati potrebbero essere modificati in modo da conferire loro nuove proprietà, i ricercatori li hanno studiati durante la deformazione plastica. Questo processo, dove il materiale è spinto a fluire e gli atomi, molecole, o le particelle che compongono il materiale possono facilmente scivolare l'una sull'altra, provoca riarrangiamenti permanenti nella struttura complessiva del materiale. L'obiettivo dei ricercatori era cercare relazioni quantificabili che collegassero la capacità di un materiale di cambiare sotto l'influenza dello stress esterno al modo in cui le singole particelle si riorganizzano.

Il team ha condotto esperimenti utilizzando un materiale disordinato "modello" composto da 50, 000 particelle colloidali progettate per imitare gli atomi. I singoli "atomi" erano sparsi sottilmente attraverso un'interfaccia d'acqua, e i ricercatori hanno usato un piccolo ago magnetico per spingere lo strato di atomi con una forza di taglio, facendoli scorrere lungo percorsi specifici. Utilizzando i video raccolti durante il processo di taglio, sono stati in grado di tracciare i movimenti di tutti e 50, 000 particelle.

Utilizzando questo set di dati, i ricercatori hanno calcolato due quantità che si sono rivelate cruciali per comprendere la risposta del solido disordinato:l'eccesso di entropia e il tempo di rilassamento. L'eccesso di entropia è una misura della struttura complessiva del campione che caratterizza il disordine del materiale. Il rilassamento delle particelle è una misura della dinamica di risposta di un materiale e caratterizza la velocità con cui le singole particelle si muovono l'una rispetto all'altra.

"Abbiamo notato che queste due quantità si relazionano molto bene tra loro, " Galloway dice dell'analisi di questo set di dati, che i ricercatori hanno usato per quantificare la velocità con cui gli "atomi" colloidali si muovono l'uno sull'altro quando viene applicata una sollecitazione e per confrontare tale velocità con quanto disordinato è diventato il materiale finale.

Il concetto di eccesso di entropia era stato precedentemente utilizzato per studiare liquidi e sistemi che sono in equilibrio, il che significa che tutte le forze che agiscono su un sistema sono in equilibrio. Il presente lavoro è il primo esperimento per applicare queste idee a sistemi che sono fuori equilibrio, come il materiale disordinato che si deforma plasticamente qui studiato. "Abbiamo scoperto che lo stesso concetto, eccesso di entropia, spesso utilizzato nella teoria standard dei liquidi, potrebbe aiutarci a capire come i solidi si deformano plasticamente, "dice Ma.

Quantificando la relazione tra struttura, o eccesso di entropia, e dinamica, o tempo di relax, durante la deformazione plastica, il team ha identificato una connessione tra gli spostamenti nella posizione delle singole particelle e la struttura complessiva del materiale. "Primo, abbiamo applicato uno stress esterno per spingere il materiale, " dice Yodh. "Allora, le particelle nel materiale materiale si riorganizzarono e infine si rilassarono in una nuova struttura interna. Abbiamo scoperto che più velocemente viene applicata questa forza esterna, più velocemente le particelle si riorganizzano e più disordinata diventa la struttura del materiale finale, come si evince dalla sua eccessiva entropia."

Questa migliore comprensione di come la dinamica di un materiale si relaziona alla sua microstruttura a livello di singola particella può ora aiutare gli scienziati dei materiali a comprendere la "storia" di un determinato materiale. "Se conosco il tasso di deformazione plastica, quindi posso prevedere la quantità di ordine del materiale nel suo stato finale. In alternativa, se guardi un materiale e ne misuri l'ordine microstrutturale, allora posso dirti qualcosa sul processo di deformazione plastica che lo ha portato lì, "dice Ma.

I ricercatori stanno ora pianificando ulteriori esperimenti per calcolare l'eccesso di entropia più localmente e per esaminare sistemi ancora più disordinati di quelli utilizzati in questo esperimento. Se scoprono che i principi fisici stabiliti nel presente lavoro possono essere generalizzati ad altri tipi di materiali, potrebbe aprire la strada a nuovi approcci che mettono in relazione le misurazioni a livello atomico con proprietà meccaniche desiderabili. "Quindi, potresti imparare a preparare un materiale in un certo modo, tagliando più velocemente o più lentamente, in modo tale da avere uno schermo che non si rompe, "dice Arratia.