Ny forskning publicerad i Förfaranden från National Academy of Sciences beskriver hur yttre krafter driver omarrangemanget av enskilda partiklar och formar mikronivåstrukturer i störda material. Studien, genomförd av doktoranden Larry Galloway, postdoc Xiaoguang Ma, och fakultetsmedlemmar Paulo Arratia, Douglas Jerolmack, och Arjun Yodh, ger ny inblick i hur den mikroskopiska strukturen hos oordning, glasliknande fasta ämnen är relaterade till yttre stressorer och de resulterande förändringarna i rörelsen för enskilda partiklar. Dessa fynd ger potentiella nya metoder för att skapa anpassningsbara material som har unika mekaniska egenskaper.

Genom historien, människor har letat efter sätt att göra material mer motståndskraftiga, flexibel, och hållbar, oavsett om det är Damaskus stålsvärd eller vulkaniserat gummi. Nu för tiden, state-of-the-art bildteknik gör det möjligt för forskare att studera material på atomnivå, men även med denna förbättrade upplösning är det fortfarande en utmaning att studera material när de är under yttre krafter. Detta gör det svårt att utveckla "bottom-up" designmetoder som kan genomsyra material med specifika mekaniska egenskaper.

En klass av material som är särskilt utmanande, både för att studera och för att manipulera, är oordningsmaterial. Till skillnad från beställda material, som har kristallina strukturer med atomer på väldefinierade förutsägbara platser, som på ett bikakegaller, atomerna i störda material är ordnade slumpmässigt, som korn i en hög med sand. Oordningsmaterial, som glaset som används i smarttelefonskärmar, har många användbara egenskaper men är ömtåliga om de tappas eller krossas.

För att bättre förstå hur störda material kan modifieras på ett sätt som ger dem nya egenskaper, forskarna studerade dem under plastisk deformation. Denna process, där materialet drivs till flöde och atomerna, molekyler, eller partiklar som utgör materialet lätt kan glida förbi varandra, orsakar permanenta omläggningar i materialets övergripande struktur. Forskarnas mål var att leta efter kvantifierbara relationer som förbinder ett materials förmåga att förändras under påverkan av yttre stress till hur de enskilda partiklarna omarrangeras.

Teamet genomförde experiment med hjälp av ett "modell" oordningsmaterial av 50, 000 kolloidala partiklar utformade för att efterlikna atomer. De enskilda "atomerna" spreds tunt över ett vattengränssnitt, och forskarna använde en liten magnetnål för att trycka lagret av atomer med en skjuvkraft, får dem att flöda längs specifika vägar. Med hjälp av video som samlats in under klippningsprocessen, de kunde spåra alla 50 rörelser, 000 partiklar.

Med denna dataset, forskarna beräknade två mängder som visade sig vara avgörande för att förstå det oordnade fasta svaret:överdriven entropi och avkopplingstid. Överskott av entropi är ett mått på den övergripande provstrukturen som kännetecknar hur ojämnt materialet är. Partikelavslappning är ett mått på ett materials responsdynamik och kännetecknar hur snabbt enskilda partiklar rör sig förbi varandra.

"Vi märkte att dessa två kvantiteter förhåller sig riktigt snyggt till varandra, "Galloway säger om analysen av denna dataset, som forskarna använde för att kvantifiera hur snabbt de kolloidala "atomerna" rör sig förbi varandra när en stress appliceras och för att jämföra den hastigheten med hur stört det slutliga materialet blev.

Begreppet överskott av entropi hade tidigare använts för att studera vätskor och system som är i jämvikt, vilket betyder att alla krafter som verkar på ett system är i balans. Det nuvarande arbetet är det första experimentet för att tillämpa dessa idéer på system som är ur jämvikt, såsom det plastiskt deformerande störda materialet som studeras här. "Vi fann att samma koncept, överdriven entropi, används ofta i standardteorin för vätskor, kan hjälpa oss att förstå hur fasta ämnen deformeras plastiskt, "säger Ma.

Genom att kvantifiera sambandet mellan struktur, eller överdriven entropi, och dynamik, eller avkopplingstid, under plastisk deformation, laget identifierade en koppling mellan skiftningarna i placeringen av enskilda partiklar och materialets övergripande struktur. "Först, vi applicerade en yttre spänning för att pressa materialet, "Säger Yodh." Sedan, partiklarna i materialmaterialet omarrangerades och slutligen slappnade av till en ny inre struktur. Vi upptäckte att ju snabbare denna yttre kraft appliceras, ju snabbare partiklarna omarrangeras och desto mer oordning blir den slutliga materialstrukturen, som återspeglas av dess överflödiga entropi. "

Denna förbättrade förståelse för hur ett materials dynamik förhåller sig till dess mikrostruktur på enpartikelnivå kan nu hjälpa materialforskare att förstå "historia" för ett givet material. "Om jag vet graden av plastisk deformation, då kan jag förutsäga storleken på materialet i dess slutliga tillstånd. Alternativt, om du tittar på ett material och mäter dess mikrostrukturella ordning, då kan jag berätta något om plastdeformationsprocessen som drev den dit, "säger Ma.

Forskarna planerar nu ytterligare experiment för att beräkna överskott av entropi mer lokalt och för att titta på system som är ännu mer störda än de som används i detta experiment. Om de finner att de fysiska principer som fastställs i det nuvarande arbetet kan generaliseras till andra typer av material, det kan bana väg för nya tillvägagångssätt när det gäller mätningar på atomnivå till önskvärda mekaniska egenskaper. "Sedan, du kan lära dig att förbereda ett material på ett visst sätt, genom att klippa snabbare eller långsammare, så att du har en skärm som inte går sönder, säger Arratia.