Forskare vid University of Tokyo introducerade en ny fysisk modell som förutsäger dynamiken hos glasartade material enbart baserat på deras lokala grad av atomär strukturell ordning. Med hjälp av datorsimuleringar, de visade hur denna teori avsevärt förbättrar förståelsen av hur glasartade vätskor blir mer trögflytande vid kylning. Detta arbete har många potentiella tillämpningar inom tillverkning, speciellt för specialglasproduktion i laboratorieartiklar och elektroniska pekskärmsenheter.

Glas har producerats av mänskligheten sedan antiken. Dock, fysiken som styr atomernas rörelse i glasartade material är otroligt komplex och fortfarande inte helt förstådd. I motsats till de flesta kristallina fasta ämnen, där atomer ordnar sig ungefär i stora repeterande gitter, glasögon är gjorda av konfigurationer av atomer som inte visar någon ordning på lång räckvidd. Som alla som har sett en glasblåsare vet, vid höga temperaturer, glas flyter som en vätska. Det betyder att atomerna inuti har tillräckligt med rörlighet för att glida förbi varandra. Dock, när materialet svalnar, den upplever en "glasövergång" där atomerna rör sig långsammare och långsammare tills de blir låsta i ett oordnat "frusen flytande" tillstånd. Det är, de skulle ha varit mer stabila i en kristallin konfiguration, men de kan inte övervinna barriären för att komma dit. Experter beskriver ofta glasets dynamik som att använda dess "strukturella avslappningstid, " som representerar hur snabbt atomerna närmar sig det stabila tillståndet.

Nu, forskare vid University of Tokyo har använt datorsimuleringar för att definiera "strukturell ordningsparameter, " som endast beror på den lokala konfigurationen av en atom och dess omedelbara grannar. Detta värde ger ett mått på avvikelsen från den mest effektiva packningen av de omgivande atomerna. Baserat endast på parametern strukturell ordning, forskarna kunde förutsäga den strukturella avslappningstiden. "Eftersom avslappning uppenbarligen påverkas av många fysiska faktorer, vi blev glatt överraskade över att vi kunde beskriva det enbart utifrån den strukturella ordningen, " säger första författaren Hua Tong.

Genom att utföra omfattande datorsimuleringar, de kunde bekräfta sambandet mellan lokal ordning och övergripande dynamik. Detta är en unik egenskap hos glas som vanligtvis inte ses i kristallina fasta ämnen. "Vår forskning ger en fysisk ram för att förstå hur korrelationen mellan platser växer i storlek, så att dynamiken på atomnivå börjar samverka över ett utsträckt område, " förklarar seniorförfattaren Hajime Tanaka. Resultaten av detta projekt kan hjälpa till att designa nya processer för tillverkning av starkare och mer hållbart glas. Resultaten av detta projekt kan hjälpa till att designa nya processer för att tillverka starkare och mer hållbart glas.

Verket publiceras i Naturkommunikation som "Strukturell ordning som en genuin styrparameter för dynamik i enkla glasformare."