I ett kristallint fast ämne, atomerna bildar ett ordnat gitter. Kristallina fasta ämnen reagerar elastiskt på små deformationer:När den applicerade belastningen avlägsnas, den makroskopiska stressen, såväl som den mikroskopiska konfigurationen av atomgittret, går tillbaka till det ursprungliga tillståndet. Å andra sidan, ett material beter sig plastiskt om det inte återgår till sitt ursprungliga tillstånd. I allmänhet, plasticitet uppstår endast när deformationen är tillräckligt stor.

Till skillnad från kristaller, amorfa fasta ämnen, som glasögon, granulärt material, geler, skum, och emulsioner, har oordnade partikelkonfigurationer. Hur reagerar amorfa fasta ämnen på en liten deformation? Kan standardelasticitet beskriva amorfa fasta ämnen?

För att svara på denna fråga, Dr. JIN Yuliang från Institute of Theoretical Physics (ITP) vid den kinesiska vetenskapsakademin, tillsammans med sina medarbetare, systematiskt studerat de mekaniska egenskaperna hos amorfa fasta ämnen med hjälp av ett numeriskt modellsystem.

Även om makroskopiska egenskaper som spänning och töjning är reversibla när en liten deformation släpps, mikroskopiska konfigurationer kan vara irreversibla. Arbetet som krävs för att växla mellan före- och efterstörningskonfigurationer är oändligt litet. Denna typ av amorf fast substans kallas marginellt stabil och är resultatet av en så kallad Gardner-övergång, som nyligen förutspåtts av medelfältsteorin.

Forskarna etablerade vidare en stabilitet-reversibilitetskarta över amorfa fasta ämnen i hårda sfärer, som förenar mekaniska beteenden inklusive elasticitet, formbarhet, ger efter, och jamming.

Enligt stabilitets-reversibilitetskartan (fig. 1), ett amorft fast ämne har två typiska beteenden, som beror på omfattningen av volym och skjuvtöjningar. I den stabila regionen, det amorfa fasta ämnet är verkligen elastiskt och reversibelt, precis som kristaller. I den marginellt stabila regionen, å andra sidan, elasticitet blandas oundvikligen med plasticitet, även för oändliga deformationer. Ett marginellt stabilt amorft fast ämne är endast delvis reversibelt.

Studien visar att det behövs en mer komplett elastisk teori - en som korrekt kan införliva amorfa fasta ämnen. Det ger också viktiga insikter i designen av nästa generations mekaniska material som metallglas.

Forskningen redovisas i Vetenskapens framsteg .