Почти век учёные понимали, как кристаллические материалы — такие как металлы и полупроводники — изгибаются, не разрушаясь. Их секрет кроется в крошечных дефектах, похожих на линии, называемых дислокациями, которые перемещаются через упорядоченную атомную решётку и переносят деформацию.
В основе этой теории лежит геометрическая величина, известная как вектор Бюргерса, впервые экспериментально обнаруженная в 1950-х годах. Она точно измеряет, насколько решётка искажена дислокацией. Эта концепция стала одним из краеугольных камней современного материаловедения.
Однако стёкла всегда стояли особняком. От оконного стекла и полимеров до металлических стёкол и многих мягких материалов — в стёклах отсутствует регулярная атомная структура кристаллов. Их частицы расположены хаотично, застыв в беспорядочных атомных конфигурациях.
Десятилетиями этот беспорядок приводил физиков к мысли, что дислокации и векторы Бюргерса не могут существовать в стёклах. Вместо этого считалось, что пластическая деформация в стекле возникает из-за небольших кластеров частиц, локально перестраивающихся в событиях, известных как зоны трансформации сдвига, без какой-либо чёткой топологической сигнатуры.
Но теперь, в результате поразительного прорыва, мы с моими коллегами из Университета Монаш (Австралия), Шанхайского Jiao Tong University (Китай) и Исследовательской лаборатории Армии США показали, что давнее разделение между кристаллами и стёклами не так фундаментально, как считалось ранее.
Исследование опубликовано в журнале Acta Crystallographica Section A Foundations and Advances.
Используя дифракцию сканирующего пучка высокого разрешения вместе с передовым компьютерным моделированием, мы впервые напрямую наблюдали векторы Бюргерса внутри стекла — примерно через 70 лет после их обнаружения в кристаллах.
Открытие показывает, что даже в неупорядоченных материалах пластическая деформация переносится чётко определёнными топологическими дефектами, которые являются прямыми аналогами кристаллических дислокаций.
Ключом к открытию стала новая способность визуализировать деформацию внутри стекла на чрезвычайно малых масштабах длины. В экспериментах наша команда изучала модель коллоидного стекла, подвергнутого контролируемой деформации сдвига.
Мы сканировали материал высокофокусированным рентгеновским лучом шириной всего около микрометра, создавая подробную карту того, как структура материала локально реагирует на деформацию. В то же время крупномасштабное моделирование отслеживало точные смещения отдельных частиц во время пластических перестроек.
Из этих полей смещений мы применили ту же математическую конструкцию, которая определяет вектор Бюргерса в кристаллах: проследили замкнутые петли вокруг локализованных событий деформации и рассчитали чистое смещение, накопленное вдоль этих петель.
К нашему удивлению, результат оказался не нулевым. Каждое локализованное пластическое событие несло конечный, чётко определённый вектор Бюргерса — именно признак дислокации. Единственное отличие от кристаллов состоит в том, что смещения в стекле измеряются при внешней деформации.
Более того, топологическая природа сигнала, который мы обнаружили, оказалась весьма убедительной. Когда к системе были искусственно добавлены гладкие фоновые деформации, обычные индикаторы пластичности стали искажёнными и трудными для интерпретации. Однако векторы Бюргерса остались неизменными. Эта устойчивость является определяющим свойством топологических дефектов и демонстрирует, что наблюдаемое явление — не артефакт численного моделирования или следствие шума, а подлинная геометрическая особенность пластической деформации в стекле.
Это открытие коренным образом меняет представление учёных об аморфных материалах. В течение многих лет зоны трансформации сдвига в стёклах рассматривались как расплывчатые, локализованные перестройки без точной геометрической идентичности.
Новые результаты показывают, что эти события фактически построены вокруг дефектов, подобных дислокациям, которые несут векторы Бюргерса, даже несмотря на отсутствие кристаллической решётки.
Таким образом, в стёклах присутствуют дислокации без кристаллической решётки. Это открытие объединяет две области, которые долгое время развивались отдельно. Пластичность кристаллов, управляемая дислокациями и векторами Бюргерса, была одной из самых успешных и прогностических теорий в физике и инженерии. Пластичность стекла, напротив, оставалась гораздо более неуловимой, с множеством конкурирующих моделей, но без единой объединяющей основы.
Открытие того, что как упорядоченные, так и неупорядоченные твёрдые тела имеют одни и те же топологические носители деформации, предполагает, что универсальная теория пластичности может наконец оказаться в пределах досягаемости.
Последствия выходят далеко за рамки базовой физики. Стеклянные и аморфные материалы занимают центральное место в современных технологиях, от экранов смартфонов и оптических волокон до биомедицинских имплантатов, материалов для батарей и высокопроизводительных металлических стёкол.
В отличие от кристаллических металлов, стёкла часто разрушаются внезапно и катастрофически, без предупреждения. Основной причиной этого является отсутствие чёткой микроскопической теории, описывающей, как деформация накапливается внутри них.
Выявив векторы Бюргерса как фундаментальные носители пластичности в стёклах, новая работа предоставляет конкретный объект, который можно отслеживать, моделировать и потенциально контролировать.
На практике это может привести к разработке более совершенных стратегий создания более прочных и надёжных аморфных материалов. Если инженеры научатся влиять на создание, движение и взаимодействие этих скрытых дислокаций в стекле, они смогут настроить прочность, пластичность и сопротивление разрушению такими способами, которые ранее были немыслимы.
В открытии также заложен глубокий концептуальный посыл. Дислокации и векторы Бюргерса когда-то считались эксклюзивными для упорядоченного мира кристаллов, где атомы располагаются на аккуратных, повторяющихся решётках. Стекла рассматривались как принципиально отличные, управляемые беспорядком, а не топологией.
Новая работа опровергает это представление. Она показывает, что даже в структурно случайном материале деформация организована строгими геометрическими и топологическими правилами. Порядок в этом смысле не является обязательным условием для дислокаций — достаточно одной топологии.
Причина, по которой к такому выводу потребовалось так много времени, кроется в экспериментальных и вычислительных ограничениях. Извлечение векторов Бюргерса требует исключительно точных измерений полей смещений на очень малых масштабах. В кристаллах атомный порядок делает это простым. В стёклах случайность скрывает сигнал.
Только недавно рентгеновские методы, анализ изображений и методы моделирования стали достаточно мощными, чтобы извлечь топологическую структуру из шума.
Спустя 70 лет после того, как векторы Бюргерса произвели революцию в науке о кристаллах, они теперь пересекли историческую границу и вошли в мир беспорядка. С их обнаружением в стекле центральная концепция физики материалов была преобразована из особенности упорядоченных твёрдых тел в универсальный язык деформации.
Когда-то отдельные истории о том, как кристаллы и стёкла изгибаются, теперь сливаются в единый, более глубокий нарратив — написанный не на языке порядка или беспорядка, а на языке топологии.