Far cadere uno smartphone sul suo schermo di vetro, che è fatto di atomi ammassati insieme senza un ordine distinguibile, potrebbe farla frantumare. A differenza dei metalli e di altri materiali cristallini, il vetro e molti altri solidi disordinati non possono essere deformati in modo significativo prima di rompersi e, a causa della loro mancanza di ordine cristallino, è difficile prevedere quali atomi cambierebbero durante il cedimento.

"Per capire come un sistema sceglie il suo scenario di riordino, " ha detto Douglas Durian, professore di fisica e astronomia all'Università della Pennsylvania, "dobbiamo stabilire una connessione con la struttura microscopica sottostante. Per i cristalli, è facile; riarrangiamenti sono a difetti topologici come dislocazioni. Per solidi disordinati, è un problema molto difficile di 40 anni che ora stiamo risolvendo:cosa e dove sono i difetti strutturali in qualcosa che è disordinato?"

Per trovare un collegamento tra materiali disordinati apparentemente disparati, una collaborazione interdisciplinare tra i ricercatori Penn della School of Arts and Sciences e della School of Engineering and Applied Science con esperienza in vari materiali ha studiato una gamma senza precedenti di solidi disordinati con particelle costituenti che vanno dai singoli atomi alle rocce del fiume. Comprendere il cedimento dei materiali a un livello fondamentale potrebbe aprire la strada alla progettazione di vetri più resistenti alla frantumazione o alla previsione di fenomeni geologici come le frane.

In un articolo pubblicato su Scienza , i ricercatori della Penn hanno rivelato punti in comune tra questi sistemi disordinati, definendo una controparte ai "difetti" implicati nella rottura dei materiali cristallini. Questa cosiddetta "morbidezza" nei sistemi disordinati prevede la posizione dei difetti, che sono la raccolta di particelle che più probabilmente cambieranno quando il materiale si rompe.

I ricercatori hanno utilizzato una tecnica sviluppata da Durian con Penn Ph.D. laureato Samuel Schoenholz, e il dottorato di ricerca dell'Università di Harvard. laureato Ekin Dogus Cubuk, entrambi attualmente in Google Brain; Andrea Liu, Hepburn Professore di Fisica alla Penn's School of Arts and Sciences; e Efthimios Kaxiras, John Hasbrouck Van Vleck Professore di fisica pura e applicata, Scuola di ingegneria e scienze applicate di Harvard. Liu e Daniele Gianola, poi professore alla Penn's School of Engineering and Applied Science's Department of Materials Science and Engineering e ora all'Università della California, Santa Barbara, condotto lo studio. Daniel Strickland e Robert Ivancic, entrambi studenti laureati alla Penn, sono i primi autori, insieme a Cubuk e Schoenholz.

Il documento è il culmine di anni di ricerca condotta presso il Penn's Materials Research Science &Engineering Center (MRSEC), ospitato dal Laboratory for Research on the Structure of Matter. Liu e Robert Carpick, John Henry Towne Professor e cattedra di ingegneria meccanica e meccanica applicata alla Penn erano co-leader del gruppo di ricerca integrato del MRSEC focalizzato sulla meccanica degli impaccamenti disordinati.

Una dozzina di docenti del gruppo, insieme a studenti e ricercatori post-dottorato dei loro laboratori, contribuito allo studio, fornendo dati da 15 simulazioni ed esperimenti su diversi tipi di sistemi disordinati. Le particelle in quei sistemi variavano in dimensioni dagli atomi di carbonio che costituiscono i rivestimenti del motore resistenti all'usura alle sfere di plastica di dimensioni centimetriche in un alveo modello.

Utilizzando l'apprendimento automatico, i ricercatori hanno raccolto centinaia di quantità che caratterizzano le disposizioni delle particelle in ciascun sistema, quantità che individualmente potrebbero non rivelarsi molto. È importante sottolineare che hanno trovato la combinazione di queste quantità che è fortemente correlata con la dinamica. Ciò ha prodotto una proprietà strutturale microscopica chiamata morbidezza. Se si conosce la morbidezza, è possibile prevedere il comportamento del materiale disordinato e la probabilità che le sue particelle costituenti si ridispongano.

I sistemi studiati dai ricercatori si stavano riorganizzando a causa di fluttuazioni termiche casuali o di diversi tipi di stress applicati come la compressione o lo stiramento. In tutti i casi, la tecnica ha funzionato bene, e i ricercatori sono stati in grado di prevedere con elevata precisione la probabilità che i sistemi si riorganizzassero.

I ricercatori hanno quindi confrontato le proprietà tra i sistemi. Hanno scoperto che la scala di lunghezza su cui era correlata la morbidezza era identica alla dimensione dei riarrangiamenti, o il numero di particelle che si muovono quando si verifica un guasto. Sorprendentemente, hanno scoperto che questo numero è quasi identico in tutti questi sistemi, indipendentemente dalle dimensioni delle particelle e dal modo in cui interagiscono.

"Da 40 anni si parla di ciò che determina la dimensione dei riarrangiamenti localizzati nei solidi disordinati, " Liu ha detto. "Hanno ipotizzato su difetti localizzati che hanno chiamato zone di trasformazione di taglio in sistemi disordinati in cui è probabile che si verifichino riarrangiamenti, ma nessuno lo aveva visto direttamente. Non potevano prevedere in anticipo dove sarebbero avvenuti i riarrangiamenti. Con l'apprendimento automatico, stiamo dicendo, 'Formiamo il sistema. Diamo un'occhiata ai riarrangiamenti e alle strutture e vediamo se riusciamo a capire cosa è importante e poi usarlo.' È concettualmente molto semplice, ma risulta essere molto potente."

I ricercatori hanno anche misurato il ceppo di resa, o quanto può deformarsi il solido prima che inizi a deformarsi plasticamente. Hanno anche scoperto che il ceppo di snervamento è approssimativamente lo stesso per tutti i solidi disordinati su sistemi che coprono 13 ordini di grandezza nella loro rigidità meccanica. A confronto, i ceppi di resa per diversi materiali cristallini possono variare di cento o mille volte.

Ora che i ricercatori lo hanno dimostrato, fino a quando viene applicato lo stress, tutti questi sistemi sembrano uguali, il prossimo passo dello sforzo è co-guidato da Durian e Paulo Arratia, professore di ingegneria meccanica e meccanica applicata nella Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate. Il loro obiettivo è andare oltre la resa, dove tutto diventa caos e i sistemi iniziano a sembrare estremamente diversi. Alcuni sistemi si fratturano, altri mostrano bande di taglio e altri, come schiume, può fluire senza intoppi per sempre.

"Quando avviene un riordino, le morbidezze delle particelle vicine tutte cambiano, "Duriano ha detto, "ma, grazie ai giunti elastici a lungo raggio, così possono le morbidezze delle particelle anche abbastanza lontane, come illustrato da questi dati. Così, un riarrangiamento ha un effetto non banale su dove è probabile che si verifichino i successivi riarrangiamenti. In particolare, saranno incoraggiati i riarrangiamenti nelle vicinanze e quindi promuoveranno le fasce di taglio, o saranno scoraggiati e quindi promuoveranno la durezza? Riteniamo che la comprensione e, in definitiva, il controllo della complessa interazione tra riarrangiamenti, fatica, e la struttura - qui quantificata dalla morbidezza - è la chiave per migliorare la tenacità."

Se i ricercatori possono capire perché diversi sistemi si comportano diversamente al di là della resa, potrebbero essere in grado di controllare la morbidezza e come si evolve quando è sotto stress. Ciò potrebbe portare a rivestimenti e materiali più resistenti, come schermi di vetro più resistenti per i telefoni.

"I solidi disordinati hanno molte grandi proprietà, " Liu ha detto. "Puoi modellarli in qualsiasi forma tu voglia o creare superfici che sono atomicamente lisce, cosa che non puoi davvero fare con i sistemi cristallini. Ma tendono a rompersi facilmente. Se riusciamo a capire cosa lo controlla e come prevenirlo, allora i concetti iniziano ad avere applicazioni reali. In un caso ideale, vogliamo sviluppare nuovi, materiali più duri che non sono così fragili o che non si sfaldano in modo catastrofico".