Col tempo, quando un vetro metallico viene messo sotto sforzo, i suoi atomi si sposteranno, scivolano e alla fine formano bande che lasciano il materiale più soggetto a rotture. Gli scienziati della Rice University hanno sviluppato nuovi metodi computazionali basati su una teoria generale degli occhiali per spiegare il perché.

Un nuovo giornale in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze di Rice, il fisico Peter Wolynes e l'ex studente laureato Apiwat Wisitsorasak, gettano le basi per calcolare come tutti i tipi di vetro si trasformano nel tempo quando vengono sottoposti a stress meccanico. Le loro formule potrebbero aiutare scienziati e produttori a migliorare il vetro per applicazioni specifiche.

I vetri metallici sono leghe che hanno una struttura disordinata simile al vetro piuttosto che le strutture policristalline dei metalli familiari. Possono essere sia fragili che duttili a gradi e possono essere trasformati in forme complesse, come le teste delle mazze da golf. A differenza del vetro della finestra, sono conduttivi e possono essere utili per l'elettronica.

esteriormente, il vetro può sembrare solido, ma l'array casuale di molecole all'interno è sempre in movimento, ha detto Wolynes. È noto da decenni che quando è stressato, gli occhiali formeranno bande di taglio, linee che localizzano il ceppo. Sono state avanzate molte idee su come ciò avvenga, ma ora il gruppo Rice può spiegare il fenomeno utilizzando una teoria generale di come si formano i vetri basata sui paesaggi energetici.

Wolynes ha continuato il suo studio di lunga data sulle proprietà molecolari del vetro presso il Centro di Fisica Teorica Biologica (CTBP) di Rice, dove sviluppa anche la fisica dei paesaggi energetici per il ripiegamento delle proteine ​​e del DNA. La sua motivazione per il nuovo lavoro era vedere se la formazione delle bande di taglio potesse essere spiegata attraverso calcoli che descrivono come lo stress cambia il tasso di riarrangiamento atomico nel vetro.

"Il mio interesse immediato è mostrare che questo fenomeno delle fasce di taglio, che è una cosa evidente nei materiali metallici, può essere inteso come parte della teoria unificata degli occhiali, " disse. Quella teoria, formato nel corso di decenni da Wolynes e colleghi, descrive molti aspetti di come si formano i bicchieri quando un liquido viene raffreddato.

Ha detto che due fattori spingono alla formazione di bande di taglio nei vetri metallici. "Uno è che quando si forma il vetro, è un po' più debole in alcuni punti rispetto ad altri. A questo riguardo, le bande sono in parte programmate nel bicchiere.

"L'altro fattore è l'elemento della casualità, " ha detto. "Tutte le reazioni chimiche richiedono la concentrazione di energia in una particolare modalità di movimento, ma il movimento nel vetro è particolarmente complesso, quindi devi aspettare che un evento di attivazione accada per caso. Hai bisogno di una sorta di evento di nucleazione."

Questi "eventi di attivazione" apparentemente casuali, " accoppiamenti molecolari che avvengono naturalmente quando scorre un liquido superraffreddato, diventano rari quando il vetro si stabilizza nella sua forma, ma aumentano quando il vetro è stressato. Gli eventi innescano il movimento cooperativo delle molecole adiacenti e alla fine si traducono in bande di taglio.

Le bande, i ricercatori hanno scritto, contrassegnare le regioni ad alta mobilità e dove può verificarsi la cristallizzazione locale e mostrare dove alla fine il vetro potrebbe cedere.

Wolynes ha affermato che la teoria della transizione casuale del primo ordine consente agli scienziati di "dire cose sulle statistiche di questi eventi, quanto sono grandi e le regioni coinvolte, senza dover simulare un evento completo utilizzando la simulazione della dinamica molecolare.

"Questo apre la possibilità di fare calcoli realistici sulla resistenza del vetro e, di certo, vetri metallici. Si potrebbero aggiungere al modello anche le caratteristiche della cristallizzazione e delle fratture, che sarebbe di interesse per gli scienziati dei materiali che lavorano su applicazioni pratiche, " Egli ha detto.

Wolynes e Wisitsorasak hanno testato le loro idee su un modello computerizzato bidimensionale di Vitreloy 1, un vetro metallico sviluppato presso il California Institute of Technology che "congela" alla sua temperatura di transizione vetrosa di 661 gradi Fahrenheit.

I ricercatori hanno messo il modello sotto sforzo, ha ridotto in secondi i mesi necessari per uno studio pratico e ha osservato il materiale formare le bande di taglio proprio come visto dai laboratori e in linea con la teoria consolidata, ha detto Wolynes.

I modelli informatici sono la strada da percorrere per tali studi, Egli ha detto, perché gli esperimenti di laboratorio possono richiedere mesi o anni per dare i loro frutti. "Il nostro lavoro pone le basi per un nuovo modo di modellare le proprietà meccaniche dei materiali vetrosi che scorrono, così come questo strano fenomeno in cui l'effetto che vedi è macroscopico, ma in realtà è causato da eventi su scala nanometrica, " Egli ha detto.