Allt om glas är inte klart. Hur dess atomer är ordnade och beter sig, särskilt, är häpnadsväckande ogenomskinlig.

Problemet är att glas är ett amorft fast ämne, en klass av material som ligger i det mystiska riket mellan fast och flytande. Glasartade material inkluderar också polymerer, eller vanligt förekommande plast. Även om det kan verka stabilt och statiskt, glasatomer blandas ständigt i ett frustrerande meningslöst sökande efter jämvikt. Detta skiftande beteende har gjort glasets fysik nästan omöjlig för forskare att fastställa.

Nu ett multinstitutionellt team inklusive Northwestern University, North Dakota State University och National Institute of Standards and Technology (NIST) har utformat en algoritm med målet att ge polymerglasögon lite mer klarhet. Algoritmen gör det möjligt för forskare att skapa grovkorniga modeller för att designa material med dynamiska egenskaper och förutsäga deras ständigt förändrade beteenden. Kallade "algoritmen för renormalisering av energi, "det är det första som exakt förutspår glasets mekaniska beteende vid olika temperaturer och kan leda till snabb upptäckt av nya material, designad med optimala egenskaper.

"Den nuvarande processen för materialupptäckt kan ta decennier, "sade nordvästra Sinan Keten, som ledde forskningen. "Vår metod ökar molekylära simuleringar med ungefär tusen gånger, så vi kan designa material snabbare och undersöka deras beteende. "

"Även om glasartade material finns runt omkring oss, forskare fortfarande kämpar för att förstå deras egenskaper, såsom deras flytbarhet och diffusion när temperaturen eller sammansättningen varierar, "sa Jack F. Douglas, en NIST -stipendiat, som ledde arbetet tillsammans med Keten. "Denna brist på förståelse är en allvarlig begränsning i rationell design av nya material."

Studien publicerades nyligen i tidningen Vetenskapliga framsteg . Wenjie Xia, en biträdande professor i civil- och miljöteknik vid North Dakota State University, var tidningens första författare.

Glas konstiga beteende härrör från hur det är gjort. Det börjar som en varm pool av smält material som sedan snabbt kyls. Även om det slutliga materialet vill nå jämvikt i ett kylt tillstånd, det är mycket mottagligt för förändrade temperaturer. Om materialet värms upp, dess mekaniska egenskaper kan förändras dramatiskt. Detta gör det svårt för forskare att effektivt förutsäga de mekaniska egenskaperna med hjälp av befintliga molekylära simuleringstekniker.

"Så enkelt som glas ser ut, det är ett väldigt konstigt material, "sa Keten, docent i maskinteknik och civil- och miljöteknik vid Northwestern McCormick School of Engineering. "Det är amorft och har ingen jämviktsstruktur, så det utvecklas ständigt genom långsamma rörelser av dess molekyler. Och sedan finns det mycket variation i hur det utvecklas beroende på temperatur och molekylära egenskaper hos varje glasartat material. Dessa processer tar mycket lång tid att beräkna i molekylära simuleringar. Det går bara att påskynda beräkningarna om vi kan kartlägga molekylernas positioner till enklare strukturella modeller. "

Glasets struktur står i skarp kontrast till ett kristallint fast ämne, där atomer är ordnade i en ordnad, förutsägbart och symmetriskt sätt. "Det är lätt att kartlägga atomer i kristallina material eftersom de har en upprepande struktur, "Keten förklarade." I ett amorft material, det är svårt att kartlägga strukturen på grund av avsaknaden av långdistansordning. "

"På grund av glasets amorfa och oordning, dess egenskaper kan variera med temperaturen väsentligt, gör det mycket svårt att förutsäga dess fysiska beteende, "Tillade Xia." Nu, vi har hittat ett nytt sätt att lösa detta problem. "

För att hantera denna utmaning, Keten, Douglas, Xia och deras medarbetare utformade sin algoritm för att faktorera på många sätt glasmolekyler skulle röra sig eller inte röra sig beroende på varierande temperaturer över tiden. Att beräkna positionen för varje atom i glas skulle vara noggrant långsamt och tröttsamt-även för en kraftfull algoritm-att beräkna. Så Keten och hans medarbetare använde "grovkornig modellering, "ett förenklat tillvägagångssätt som tittar på grupper av atomer snarare än enstaka atomer. Deras nya metodik skapar effektivt parametrar för interaktionerna mellan dessa grövre partiklar så att modellen kan fånga den dramatiska avmattningen i molekylär rörelse när det glasartade materialet svalnar.

"Vi kan inte göra en atom-atom-simulering för även glasfilmer med nanoskala tjocklek eftersom även det skulle vara för stort, "Sa Keten." Det är fortfarande miljontals molekyler. De grovkorniga modellerna tillåter oss att studera större system som är jämförbara med experiment som gjorts i laboratoriet. "

Än så länge, Keten och hans team har kontrollerat sin algoritm mot tre redan väl karakteriserade och mycket olika typer av polymera glasbildande vätskor. I varje fall, algoritmen förutsäger exakt de kända dynamiska egenskaperna över ett stort temperaturintervall.

"Att förklara glasets fysik har känt som ett av de största problemen som forskare inte har kunnat lösa, "Sa Keten." Vi kommer närmare att förstå deras beteende och lösa mysteriet. "