Forskare vid University of Tokyo använder datorsimuleringar för att modellera effekterna av elementär sammansättning på glasbildande förmåga hos metallblandningar, vilket kan leda till tuffa, elektroledande glasögon Kredit:Institute of Industrial Science, universitetet i Tokyo
Forskare från Institute of Industrial Science vid University of Tokyo använde molekylära dynamikberäkningar för att simulera den glasbildande förmågan hos metallblandningar. De visar att även små förändringar i sammansättningen starkt kan påverka sannolikheten för att ett material antar ett kristallint kontra ett glasartat tillstånd vid kylning. Detta arbete kan leda till en universell teori om glasbildning och billigare, mer motståndskraftig, elektriskt ledande glas.
Om du har viktiga gäster som kommer på middag, du kan duka ditt bord med dyra kristallglas. Till forskare, dock, kristall och glas är faktiskt två mycket olika tillstånd som en vätska kan anta när den kyls. En kristall har en definierad tredimensionell gitterstruktur som upprepas i det oändliga, medan glas är ett amorft fast ämne som saknar långdistansbeställning. Aktuella teorier om glasbildning kan inte exakt förutsäga vilka metallblandningar som kommer att "vitrifiera" för att bilda ett glas och vilka som kommer att kristallisera. En bättre, mer omfattande förståelse för glasbildning skulle vara till stor hjälp när man designar nya recept för mekaniskt sega, elektriskt ledande material.
Nu, forskare vid University of Tokyo har använt datorsimuleringar av tre prototypiska metallsystem för att studera processen för glasbildning. "Vi fann att förmågan för ett flerkomponentsystem att bilda en kristall, i motsats till ett glas, kan störas av små modifieringar av kompositionen, ", säger första författaren Yuan-Chao Hu.
Enkelt uttryckt, glasbildning är konsekvensen av att ett material undviker kristallisation när det kyls. Detta låser atomerna i ett "fruset" tillstånd innan de kan organisera sig i sitt energiminimerande mönster. Simuleringarna visade att en kritisk faktor som bestämmer kristallisationshastigheten var vätskekristallgränsytans energi.
Forskarna fann också att förändringar i grundkompositionen kan leda till lokala atomordningar som frustrerar kristallisationsprocessen med arrangemang som är oförenliga med kristallens vanliga form. Specifikt, dessa strukturer kan förhindra små kristaller från att fungera som "frön" som bildar tillväxten av ordnade regioner i provet. I motsats till tidigare förklaringar, forskarna fastställde att den kemiska potentialskillnaden mellan vätske- och kristallfasen endast har en liten effekt på glasbildningen.
"Detta arbete representerar ett betydande framsteg i vår förståelse av den grundläggande fysiska mekanismen för förglasning, ", säger seniorförfattaren Hajime Tanaka. "Resultaten av detta projekt kan också hjälpa glastillverkare att designa nya flerkomponentsystem som har vissa önskade egenskaper, såsom motståndskraft, seghet och elektrisk ledning. "
Verket publiceras i Vetenskapens framsteg som "Fysiskt ursprung för glasbildning från flerkomponentsystem."