Forskare från Tokyo Metropolitan University har skapat en ny modell för oordnade material för att studera hur amorfa material motstår stress. De behandlade grupper av atomer och molekyler som squishy sfärer med varierande mjukhet.
När de satte sin modell under en belastning upptäckte de oväntade skillnader mellan hårdare regioner och där krafterna var koncentrerade, med områden mellan sådana regioner som "härdade" för att producera långsträckta "kraftkedjor". Deras resultat, som visas i Scientific Reports , lovar nya insikter om att designa bättre material.
När det gäller att bygga hårda material räcker det inte med hårda ingredienser. Till exempel, när betong går sönder under jordbävningar, fokuseras de krafter som genereras på vissa ställen, vilket gör att sprickor bildas. Överföringen av krafter genom amorfa fasta ämnen som betong och cement är känd för att följa väldefinierade vägar som kallas "kraftkedjor."
Att dechiffrera hur de kommer fram skulle gå långt för att förstå hur sådana fasta ämnen beter sig under stress, men det är ännu inte känt hur de kommer fram och hur de relaterar till materialegenskaper.
Detta inspirerade ett team av forskare från Tokyo Metropolitan University under ledning av professor Rei Kurita att bygga enkla, lättillgängliga modeller av amorfa material som kan lära oss hur kraftkedjor bildas. Istället för att bara simulera alla atomers rörelse i något material, bestämde de sig för att representera grupper av atomer med sfärer av varierande styvhet, vilket återspeglar hur dessa grupper reagerar på krafter.
Materialen de studerade kännetecknades sedan av hur mycket styvheterna varierade över rymden och hur breda mönstren av hårda och mjuka områden var.
De deformerade sin samling av squishy partiklar och letade först efter om lokal styvhet korrelerade med kraftkedjeöverföring. Inledningsvis verkade det som om det fanns en tydlig korrelation mellan hårdare regioner och kraftkedjor. Ytterligare analys avslöjar dock att kraftkedjor är mer stränglika till sin form och inte korrelerar lika bra med isolerade hårda områden.
För att förstå denna diskrepans studerade teamet en enklare modell av två styva regioner åtskilda av en mjukare region, och fann att den mjukare regionen blir tätare, vilket genererar de höga krafter som krävs för att hålla kedjan igång. Detta är en första inblick i den grundläggande mekaniken för hur kraftkedjor ansluter.
Men hur påverkar dessa variationer materialets egenskaper? Det visar sig att större variationer i mjukhet och bredare mjuka/hårda områden båda leder till genomgående mjukare material, liksom större variationer i lokal densitet. Slutsatsen vi kan dra är att även med samma byggstenar ger amorfa material med mer enhetlig styvhet ett hårdare material på grund av jämnare fördelning av kraftkedjorna.
Även om uppkomsten av styvhetsvariationer i verkliga material fortfarande är outforskade, hoppas teamet att deras nya modell och mekanism banar väg för designprinciper för att göra bättre material.
Mer information: Rei Kurita et al, Formationer av kraftnätverk och uppmjukning av amorfa elastiska material från en grovkornig partikelmodell, Scientific Reports (2024). DOI:10.1038/s41598-024-59498-2
Journalinformation: Vetenskapliga rapporter
Tillhandahålls av Tokyo Metropolitan University
