Gli scienziati della Tokyo Metropolitan University hanno creato un nuovo modello per i materiali disordinati per studiare come i materiali amorfi resistono allo stress. Hanno trattato gruppi di atomi e molecole come sfere morbide con morbidezza variabile.
Mettendo sotto carico il loro modello, hanno scoperto disparità inaspettate tra le regioni più difficili e dove le forze erano concentrate, con aree tra tali regioni che si “induriscono” per produrre “catene di forza” allungate. I loro risultati, riportati in Rapporti scientifici , promettono nuove intuizioni per la progettazione di materiali migliori.
Quando si tratta di costruire materiali duri, l’utilizzo di ingredienti duri non è sufficiente. Ad esempio, quando il calcestruzzo cede durante un terremoto, le forze generate si concentrano in determinati punti, provocando la formazione di crepe. È noto che la trasmissione delle forze attraverso solidi amorfi come calcestruzzo e cemento segue percorsi ben definiti noti come "catene di forza".
Decifrare il modo in cui emergono contribuirebbe notevolmente a comprendere come tali solidi si comportano sotto stress, ma non è ancora noto come emergano e come si relazionino alle proprietà dei materiali.
Ciò ha ispirato un team di ricercatori della Tokyo Metropolitan University guidati dal professor Rei Kurita a costruire modelli semplici e trattabili di materiali amorfi che potrebbero insegnarci come si formano le catene di forze. Invece di simulare semplicemente il movimento di tutti gli atomi in un materiale, hanno deciso di rappresentare gruppi di atomi con sfere di diversa rigidità, riflettendo il modo in cui tali gruppi rispondono alle forze.
I materiali studiati sono stati poi caratterizzati in base alla variazione delle rigidità nello spazio e all'ampiezza dei modelli delle regioni dure e morbide.
Deformando la loro serie di particelle morbide, hanno prima cercato se la rigidità locale fosse correlata alla trasmissione della catena di forza. Inizialmente sembrava che ci fosse una chiara correlazione tra le regioni più difficili e le catene di forza. Tuttavia, ulteriori analisi rivelano che le catene di forza hanno una forma più simile a una corda e non sono altrettanto correlate con le regioni dure isolate.
Per comprendere questa discrepanza, il team ha studiato un modello più semplice di due regioni rigide separate da una regione più morbida, scoprendo che la regione più morbida diventa più densa, generando le elevate forze necessarie per mantenere la catena in movimento. Questo è un primo sguardo ai meccanismi fondamentali di come si collegano le catene di forza.
Ma come influiscono queste variazioni sulle proprietà del materiale? Si scopre che variazioni maggiori nella morbidezza e regioni morbide/dure più ampie portano entrambe a materiali costantemente più morbidi, così come variazioni maggiori nella densità locale. La conclusione che possiamo trarre è che anche con gli stessi elementi costitutivi, i materiali amorfi con una rigidità più uniforme danno un materiale più duro grazie alla distribuzione più uniforme delle catene di forza.
Sebbene l'emergere di variazioni di rigidità nei materiali reali rimanga inesplorato, il team spera che il nuovo modello e meccanismo apra la strada ai principi di progettazione per realizzare materiali migliori.
Ulteriori informazioni: Rei Kurita et al, Formazioni di reti di forze e rammollimento di materiali elastici amorfi da un modello di particelle a grana grossa, Rapporti scientifici (2024). DOI:10.1038/s41598-024-59498-2
Informazioni sul giornale: Rapporti scientifici
Fornito dalla Tokyo Metropolitan University
