Un team guidato dall'Università di Tokyo ha sviluppato un nuovo metodo per comprendere l'organizzazione strutturale di raccolte disordinate di dischi morbidi o sfere utilizzando un nuovo approccio:concentrarsi sulle proprietà meccaniche locali che è fondamentalmente diverso dai precedenti approcci ai cristalli ordinati e all'amorfo disordinato solidi. In particolare, i ricercatori hanno focalizzato l'imballaggio risultanti dal fenomeno di "jamming, " in cui una sostanza che scorre liberamente si intasa improvvisamente all'aumentare della densità. Il lavoro può aiutare con la progettazione di materiali industriali più efficienti che hanno meno probabilità di rompersi sotto carico esterno.

Immagina di essere seduto sulla spiaggia a giocare con i mucchi di sabbia. Ma quando provi a decorare il castello che hai appena costruito, sei sorpreso di scoprire che solo un'operazione molto piccola porta al suo crollo. In questo caso, hai appena scoperto la "stabilità marginale" dei solidi amorfi, a causa della quale il sistema perde inaspettatamente la sua stabilità. Mentre i solidi amorfi sono onnipresenti in natura e hanno ampie applicazioni industriali, può essere un problema serio per la nostra sicurezza se si sfaldano senza controllo. L'organizzazione strutturale dei solidi amorfi, che porta alla stabilità marginale, è abbastanza complesso e ancora non del tutto compreso. Infatti, la maggior parte degli scienziati intende comprendere i solidi amorfi utilizzando i modelli stabiliti di cristalli ordinati, ma il consenso non è mai stato raggiunto.

"Nonostante lo studio intensivo per decenni, la descrizione unificata dei solidi amorfi deve ancora essere saldamente stabilita, " dice il primo autore Dr. Hua Tong.

Per il progetto in corso, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni al computer di dischi morbidi o sfere che possono fluire a basse densità, ma si inceppano se imballati abbastanza strettamente. La loro intuizione chiave è stata quella di spostare l'attenzione dalla geometria all'aspetto meccanico o vibrazionale dei solidi amorfi. Il team ha introdotto un nuovo parametro di ordine chiamato "vibrabilità, " che controlla quanto vibrano gli atomi quando riscaldati in modo infinitesimale dalla temperatura zero. A differenza dei fononi, che sono vibrazioni collettive nei cristalli, la vibrabilità in un solido amorfo dipende dall'ambiente locale, e varia da luogo a luogo in tutto il campione. I ricercatori hanno dimostrato che le posizioni ad alta vibrazione corrispondono a "punti deboli" disordinati che sono importanti per determinare dove il sistema potrebbe guastarsi in caso di perturbazioni.

I solidi amorfi possono essere trovati in un'ampia varietà di forme, eppure sembrano tutti condividere caratteristiche importanti quando vengono esaminati. "Un'osservazione importante sugli imballaggi amorfi solidi o inceppati è che, mentre hanno diverse strutture geometriche, mostrano caratteristiche vibrazionali abbastanza universali" afferma l'autore senior Prof. Hajime Tanaka. "Le scoperte dalle simulazioni al computer sono quindi di fondamentale importanza sia per scopi teorici che applicativi".