Forskare under ledning av University of Tokyo använde en ny datormodell för att simulera nätverket av kraftbärande partiklar som ger amorfa fasta ämnen deras styrka trots att de saknar långordning. Detta arbete kan leda till nya framsteg inom höghållfasta glas, som kan användas för matlagning, industriell, och smartphone -applikationer.

Amorfa fasta ämnen som glas - trots att de är spröda och har ingående partiklar som inte bildar ordnade galler - kan ha överraskande styrka och styvhet. Detta är ännu mer oväntat eftersom amorfa system också lider av stora anharmoniska fluktuationer. Hemligheten är ett internt nätverk av kraftbärande partiklar som spänner över hela det fasta materialet som ger systemet styrka. Denna förgrening, dynamiskt nätverk fungerar som ett skelett som hindrar materialet från att ge efter för stress även om det bara utgör en liten del av de totala partiklarna. Dock, detta nätverk bildas bara efter en "perkolationsövergång" när antalet kraftbärande partiklar överskrider en kritisk tröskel. När densiteten hos dessa partiklar ökar, sannolikheten att ett genomträngande nätverk som går från ena änden till den andra ökar från noll till nästan säkert.

Nu, forskare från Institute of Industrial Science vid University of Tokyo har använt datasimuleringar för att noggrant visa bildandet av dessa perkolerande nätverk när ett amorft material kyls under dess glasövergångstemperatur. I dessa beräkningar, binära partikelblandningar modellerades med begränsade avstötande potentialer. Teamet fann att styrkan hos amorfa material är en framväxande egenskap som orsakas av självorganiseringen av den störda mekaniska arkitekturen.

"Vid noll temperatur, ett fastnat system visar långdistansrelaterade korrelationer i stress på grund av dess interna perkolerande nätverk. Denna simulering visade att samma sak gäller för glas redan innan det har svalnat helt, "säger författaren Hua Tong.

Den kraftbärande ryggraden kan identifieras genom att inse att partiklar i detta nätverk måste vara anslutna med minst två starka kraftbindningar. Vid kylning, antalet kraftbärande partiklar ökar, tills ett systemövergripande nätverk länkar ihop.

"Våra resultat kan öppna en väg mot en bättre förståelse av amorfa fasta ämnen ur ett mekaniskt perspektiv, "säger seniorförfattaren Hajime Tanaka. Eftersom den var hård, hållbart glas är mycket uppskattat för smartphones, tabletter, och köksredskap, arbetet kan hitta många praktiska användningsområden.

Verket publiceras i Naturkommunikation som "Framväxande soliditet av amorfa material som en följd av mekanisk självorganisation."