Curve sforzo-deformazione di vetri colloidali densi ottenuti da simulazioni al computer. Le configurazioni iniziali vengono create utilizzando l'algoritmo di scambio, che permette la preparazione di molto densi, stati di vetro ultra stabili. Il sistema viene leggermente compresso prima dell'applicazione della deformazione di taglio. Credito:Università di Osaka
Gli occhiali sono un enigma tra le fasi solide. Come i solidi cristallini sono duri, ma a differenza dei cristalli sono amorfi su scala molecolare. A causa di questo disordine strutturale, ogni pezzo di vetro è tecnicamente fuori equilibrio, e unico. Di conseguenza, le sue proprietà dipendono non solo dai suoi ingredienti chimici, ma su come è stato raffreddato.
La loro amorfa rende difficile descrivere gli occhiali con un modello generale. Ora, però, un team guidato dall'Università di Osaka ha utilizzato simulazioni per collegare la ricottura (raffreddamento o compressione) di un vetro con la sua risposta meccanica alla deformazione. In particolare, il loro studio, pubblicato in Progressi scientifici - focalizzato su due metriche chiave del comportamento solido, elasticità e plasticità.
Quando deformato da sforzo di taglio, un solido "elastico" ritorna alla sua forma originale dopo che il ceppo è stato rilasciato. plastica, in contrasto, mantengono permanentemente la loro nuova forma. Questo contrasto tra cambiamenti "reversibili" e "irreversibili" ha implicazioni sul modo in cui i materiali rispondono alle forze meccaniche:nel corpo, nelle applicazioni tecniche, e anche su scala geologica.
"Abbiamo modellato un assemblaggio denso di colloidi, un tipo di solido amorfo, fatto di sfere dure, ", afferma il coautore dello studio Hajime Yoshino. "Le sfere non rappresentano vere molecole, ma mostrano se tali vetri densi sono elastici. Abbiamo simulato come hanno risposto alle sollecitazioni di taglio e normali. I nostri grandi supercomputer hanno mappato completamente i diagrammi di fase di deformazione dei formatori di vetro per la prima volta, per esplorare la loro reologia."
Mappa stabilità-reversibilità del vetro colloidale denso. Credito:Università di Osaka
Ogni bicchiere ha mostrato quattro tendenze di base. Sotto piccoli sforzi erano perfettamente elastici. A sollecitazioni più elevate sono diventati parzialmente plastici, non riuscendo a recuperare lo stato originario quando la deformazione è stata in parte annullata. Alla fine affrontano uno dei due destini opposti a ceppi più grandi:fallimento totale per fratturazione (cedendo) per rilasciare lo stress, o interrompere completamente l'inceppamento (diventando congestionato). La regione tra cedevolezza e inceppamento sul diagramma di fase ha definito dove il vetro originale è rimasto stabile.
"Possiamo interpretare le risposte come quelle di stabile, vetri parzialmente stabili e instabili, " spiega l'autore principale Yuliang Jin. "È interessante notare che la dimensione della regione solida e la sua sottozona stabile dipendono da quanto bene è stato ricotto il vetro. I vetri ricotti migliori hanno maggiori possibilità di incepparsi sotto il taglio. Il nostro lavoro è il primo a dimostrare che il destino finale di un vetro sotto sforzo di taglio può essere cedevole o inceppato".
La materia soffice condensata si trova nella tecnologia e nella natura, ad esempio nelle schiume, emulsioni e tessuti biologici. Perché tale materia molle condensata, come il vetro, è amorfo, una comprensione più profonda di come personalizzare le proprietà degli occhiali può avere un impatto più ampio sul design dei materiali.