Почему стекло и другие аморфные материалы деформируются легче в некоторых областях, чем в других?
Группа исследователей из Университета Осаки, Национального института передовой промышленной науки и технологий (AIST), Университета Окаямы и Токийского университета нашла ответ на этот вопрос.
Используя математический метод, известный как персистентная гомология, команда продемонстрировала, что в мягких областях действуют скрытые иерархические структуры, где упорядоченные и неупорядоченные атомные расположения сосуществуют.
Кристаллические твёрдые тела, такие как соль или лёд, имеют атомы, аккуратно расположенные в повторяющихся узорах. Аморфным материалам, включая стекло, резину и некоторые пластмассы, не хватает дальнего порядка. Однако они не являются полностью случайными: в них присутствует средний порядок (MRO) — тонкие атомные структуры, простирающиеся на несколько нанометров.
Долгое время предполагалось, что MRO играет решающую роль в определении физических свойств аморфных материалов, особенно их механических характеристик. Однако из-за сложности атомных сетей традиционные методы анализа не могли прояснить, как MRO связан с областями, которые деформируются легче, чем их окружение. Поэтому структурные причины механической мягкости аморфных твёрдых тел оставались неясными.
Исследовательская группа применила персистентную гомологию — раздел топологического анализа данных, который фиксирует структурные особенности в разных масштабах. В аморфном кремнии — прототипном ковалентном аморфном материале, широко используемом в солнечных батареях и электронных устройствах, — они обнаружили иерархические кольцевые структуры: меньшие кольца с неравной длиной краёв вложены в большие кольца.
Это сосуществование порядка и беспорядка означает, что мягкость возникает не только из-за случайности, но и из-за ограничений, накладываемых средним порядком в сочетании с локальным беспорядком. Исследование также показало, что эти иерархические структуры сильно коррелируют с низкоэнергетическими локализованными колебаниями — универсальной особенностью стёкол, известной как «бозонный пик».
«Эта работа открывает новый путь для связи атомной структуры аморфных материалов с их механическими характеристиками», — говорит Эми Минамитани из Университета Осаки, ведущий автор исследования, опубликованного в Nature Communications.
«Мы считаем, что эти идеи ускорят разработку прочного стекла и других передовых аморфных материалов».
Открытие устанавливает чёткий структурный принцип: механически мягкие области возникают там, где беспорядок встроен в средний порядок.
Это парадоксальное открытие даёт практическое руководство для разработки аморфных твёрдых тел, которые одновременно гибкие и прочные — что принесёт пользу в таких областях, как дисплеи, покрытия и энергетические устройства.
Предоставлено:
* [Университет Осаки](https://phys.org/partners/university-of-osaka/)