I ricercatori guidati dall'Università di Tokyo hanno utilizzato un nuovo modello di computer per simulare le reti di particelle che trasportano forza che conferiscono ai solidi amorfi la loro forza anche se mancano di un ordine a lungo raggio. Questo lavoro può portare a nuovi progressi nel vetro ad alta resistenza, che può essere utilizzato per cucinare, industriale, e applicazioni per smartphone.

I solidi amorfi come il vetro, nonostante siano fragili e abbiano particelle costituenti che non formano reticoli ordinati, possono possedere una forza e una rigidità sorprendenti. Questo è ancora più inaspettato perché i sistemi amorfi soffrono anche di grandi fluttuazioni anarmoniche. Il segreto è una rete interna di particelle portatrici di forza che attraversano l'intero solido che conferisce forza al sistema. Questa ramificazione, la rete dinamica agisce come uno scheletro che impedisce al materiale di cedere alle sollecitazioni anche se costituisce solo una piccola frazione delle particelle totali. Però, questa rete si forma solo dopo una "transizione di percolazione" quando il numero di particelle portatrici di forza supera una soglia critica. All'aumentare della densità di queste particelle, la probabilità che una rete percolante che va da un capo all'altro aumenti da zero a quasi certa.

Ora, scienziati dell'Istituto di scienze industriali dell'Università di Tokyo hanno utilizzato simulazioni al computer per mostrare attentamente la formazione di queste reti di percolazione mentre un materiale amorfo viene raffreddato al di sotto della sua temperatura di transizione vetrosa. In questi calcoli, miscele di particelle binarie sono state modellate con potenziali repulsivi a gamma finita. Il team ha scoperto che la forza dei materiali amorfi è una proprietà emergente causata dall'auto-organizzazione dell'architettura meccanica disordinata.

"A temperatura zero, un sistema inceppato mostrerà correlazioni a lungo raggio nello stress a causa della sua rete di percolazione interna. Questa simulazione ha mostrato che lo stesso vale per il vetro anche prima che si sia completamente raffreddato, " dice il primo autore Hua Tong.

La struttura portante della forza può essere identificata riconoscendo che le particelle in questa rete devono essere collegate da almeno due forti legami di forza. Al raffreddamento, il numero di particelle portatrici di forza aumenta, fino a quando una rete estesa al sistema non si collega.

"I nostri risultati potrebbero aprire una strada verso una migliore comprensione dei solidi amorfi da una prospettiva meccanica, " afferma l'autore senior Hajime Tanaka. Dal momento che è rigido, il vetro durevole è molto apprezzato per gli smartphone, compresse, e pentole, il lavoro può trovare molti usi pratici.

L'opera è pubblicata in Comunicazioni sulla natura come "solidità emergente dei materiali amorfi come conseguenza dell'autorganizzazione meccanica".