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研究描述了外力如何驱动无序固体中单个颗粒的重排

发表在《美国国家科学院院刊》上的新研究描述了外力如何驱动无序材料中单个粒子的重新排列和塑造微观结构。这项由研究生拉里·加洛韦(Larry Galloway),博士后马小光(Xiaoguang Ma)以及教职人员Paulo Arratia,Douglas Jerolmack和Arjun Yodh进行的研究,为无序的玻璃状固体的微观结构与外部压力源以及由此产生的结果之间的关系提供了新的见解。改变单个粒子的运动。这些发现为创建具有独特机械性能的可定制材料提供了潜在的新方法。

纵观整个历史,人们一直在寻找使材料更具弹性,柔性和耐用性的方法,无论是大马士革钢剑还是硫化橡胶。如今,最先进的成像技术使科学家能够在原子级研究材料,但是即使具有这种增强的分辨率,在外力作用下研究材料仍然是一个挑战。这使得很难开发“自下而上”的设计方法,从而使材料具有特定的机械性能。

一类对学习和操作都特别具有挑战性的材料是无序材料。有序材料的晶体结构具有原子在明确定义的可预测位置(例如在蜂窝晶格上),而无序材料不同于无序材料中的原子是随机排列的,例如一堆沙子中的晶粒。无序的材料(例如智能手机屏幕上使用的玻璃)具有许多有用的特性,但如果掉落或压碎则很脆弱。

为了更好地理解无序材料如何以赋予其新特性的方式进行改性,研究人员在塑性变形过程中对其进行了研究。在此过程中,材料被驱动流动,组成材料的原子,分子或粒子很容易彼此滑倒,从而导致材料的整体结构发生永久性重排。研究人员的目标是寻找可量化的关系,以将材料在外部应力影响下的变化能力与单个颗粒的重排方式联系起来。

该团队使用由50,000个模仿原子的胶体粒子制成的“模型”无序材料进行了实验。各个“原子”在水界面上稀薄地分布着,研究人员使用一个小的电磁针以剪切力推动原子层,使其沿着特定的路径流动。使用在剪切过程中收集的视频,他们能够跟踪所有50,000个粒子的运动。

研究人员使用该数据集计算出两个量,这些量对于理解无序固体的响应至关重要:过量熵和弛豫时间。过量熵是衡量整体样品结构的一种指标,该指标表征了材料的无序程度。粒子弛豫是对材料响应动力学的一种度量,它表征了各个粒子相互移动的速度。

加洛韦谈到该数据集的分析时说:“我们注意到这两个量之间确实存在很好的关联,”研究人员用来量化当施加压力时胶体“原子”彼此之间移动的速度有多快,并进行比较。评估最终材料变得多么混乱。

以前,过熵的概念曾用于研究处于平衡状态的液体和系统,这意味着作用在系统上的所有力均处于平衡状态。当前的工作是将这些思想应用于不平衡系统的第一个实验,例如此处研究的塑性变形无序材料。“我们发现,通常在液体的标准理论中经常使用的相同概念,即超熵,可以帮助我们理解固体是如何塑性变形的,”马说。

通过量化塑性变形过程中结构或过量熵与动力学或弛豫时间之间的关系,研究小组确定了单个颗粒位置变化与材料整体结构之间的联系。Yodh说:“首先,我们施加了外部应力来推动材料。” “然后,材料中的颗粒重新排列并最终松弛为新的内部结构。我们发现施加此外力的速度越快,颗粒重新排列的速度就越快,最终材料结构变得越无序,这由其过量反映出来。熵。”

现在,对材料动力学在单粒子水平上与微观结构的关系的这种更好的理解现在可以帮助材料科学家了解给定材料的“历史”。“如果我知道塑性变形的速率,那么我可以预测材料在其最终状态下的阶次。或者,如果您查看一种材料并测量其微观结构阶次,那么我可以告诉您一些有关塑性变形的信息驱使它在那里的过程。”马云说。

研究人员现在正在计划进行其他实验,以更局部地计算过量的熵,并研究比本实验中使用的系统更加混乱的系统。如果他们发现本工作中确立的物理原理可以推广到其他类型的材料,则可以为将原子级测量与所需机械性能相关的新方法铺平道路。“然后,您可以学习如何以一定的方式制备材料,方法是更快或更慢地剪切,以使筛子不会碎裂,” Arratia说。

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