Quando gli occhiali metallici sono sottoposti a stress meccanico, possono rilasciare rapidamente la loro energia in modo "fragile", ovvero rompersi inaspettatamente, senza evidenti segni di deformazione o avvertimento. Questo comportamento è in contrasto con molti altri materiali come l'acciaio o il legno che si deformano "plasticamente", dove il materiale cambia forma in modo permanente, prima di rompersi.
Comprendere come viene rilasciata l'energia nei vetri metallici è stata una grande sfida nella scienza dei materiali, in parte perché le strutture di questi materiali sono straordinariamente complicate. A differenza dei metalli tradizionali che possiedono strutture cristalline regolari, i vetri metallici hanno una struttura disordinata, simile a un liquido, spesso definita "liquido ghiacciato".
Il gruppo guidato da Matthew L. Wallach, uno studente di dottorato, e Juan de Pablo, professore di ingegneria chimica e biologica con Irene e Frederic Posvar, ha ideato una tecnica di modellazione computerizzata che cattura questa struttura disordinata di vetri metallici a un livello di dettaglio che non è stato possibile fino ad ora.
Nel modello, i singoli atomi sono rappresentati da sfere e l'energia potenziale del sistema, l'energia che deriva dall'interazione tra gli atomi, è calcolata per ogni possibile configurazione atomica. Il programma del computer determina quindi la sequenza dei movimenti atomici che porta all'energia potenziale più bassa, corrispondente a una situazione in cui la struttura ha raggiunto la sua configurazione di equilibrio più stabile.
Questa struttura spesso non è quella che ha effettivamente il vetro metallico, perché il materiale può essere intrappolato in un minimo energetico metastabile, una "collina" energetica che non è il minimo globale (stabilità globale significa che il sistema si rilasserà sempre in quella condizione). nel tempo, con sufficiente energia). Gli stati metastabili derivano da effetti concorrenti a livello atomico. Ad esempio, negli occhiali metallici, i singoli atomi in genere preferiscono essere il più lontani possibile l’uno dall’altro, ma i vincoli geometrici possono costringere gli atomi a sedersi più vicini di quanto ideale.
La metastabilità è un concetto cruciale nella progettazione dei materiali. Descrive la differenza tra l'ideale e il reale e la sua comprensione è fondamentale per progettare nuovi materiali. Ad esempio, gli stati metastabili possono essere utilizzati per progettare materiali più forti e resistenti, perché il materiale deve superare una barriera energetica più elevata per “decomprimersi” e modificare la sua configurazione atomica.
Lo studio attuale rivela che è la “decompressione” delle regioni su scala nanometrica nella struttura amorfa dovuta alla forza applicata che alla fine consente al materiale di rilassarsi nella sua configurazione ideale e rilasciare la sua energia. Il modello computerizzato prevede la posizione e le caratteristiche di questi difetti su scala nanometrica per diversi tipi di metalli amorfi, nonché la quantità di energia rilasciata durante la frattura.
Il modello del gruppo identifica anche i percorsi più probabili attraverso i quali le crepe si propagano attraverso il vetro e dove è più probabile che tali crepe terminino. Queste informazioni potrebbero aiutare scienziati e ingegneri a evitare fratture fragili e a progettare materiali che si guastano in modo più controllato o vantaggioso, migliorando le prestazioni e la sicurezza di questi materiali versatili.
Lo studio, “Nanoscale Plastic Events Control Fracture in Metallic Glasses”, è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters il 19 novembre 2018.
