När metallglas utsätts för mekanisk påfrestning kan de snabbt frigöra sin energi på ett "sprött" sätt - vilket innebär att de spricker oväntat, utan uppenbara tecken på deformation eller varning. Detta beteende står i kontrast till många andra material som stål eller trä som "plastiskt" deformeras, där materialet ändrar form permanent, innan det går sönder.
Att förstå hur energi frigörs i metallglas har varit en stor utmaning inom materialvetenskap, delvis eftersom strukturerna hos dessa material är utomordentligt komplicerade. Till skillnad från traditionella metaller som har regelbundna, kristallina strukturer, har metallglas en oordnad, vätskeliknande struktur, ofta kallad "frusen vätska".
Gruppen ledd av Matthew L. Wallach, doktorand, och Juan de Pablo, professorerna i kemi och biologisk teknik från Irene och Frederic Posvar, har utvecklat en datormodelleringsteknik som fångar denna oordnade struktur av metallglas på en detaljnivå som har inte varit möjligt förrän nu.
I modellen representeras enskilda atomer av sfärer, och systemets potentiella energi – den energi som uppstår på grund av interaktionen mellan atomerna – beräknas vid varje möjlig atomkonfiguration. Datorprogrammet bestämmer sedan sekvensen av atomrörelser som leder till den lägsta potentiella energin, motsvarande en situation där strukturen har nått sin mest stabila jämviktskonfiguration.
Denna struktur är ofta inte den som det metalliska glaset faktiskt har, eftersom materialet kan vara fångat i ett metastabilt energiminimum - en energi "kulle" som inte är det globala minimumet (global stabilitet betyder att systemet alltid kommer att slappna av till det tillståndet i tid, med tillräckligt med energi). Metastabila tillstånd uppstår från konkurrerande effekter på atomnivå. Till exempel, i metallglas, föredrar individuella atomer vanligtvis att vara så långt borta från varandra som möjligt, men geometriska begränsningar kan tvinga atomer att sitta närmare varandra än vad som är idealiskt.
Metastabilitet är ett avgörande materialdesignkoncept. Den beskriver skillnaden mellan det ideala och det verkliga, och dess förståelse är nyckeln till att designa nya material. Till exempel kan metastabila tillstånd användas för att designa material som är starkare och tuffare, eftersom materialet måste övervinna en högre energibarriär för att "packa upp" och ändra sin atomära konfiguration.
Den aktuella studien avslöjar att det är "upplåsningen" av nanoskaliga regioner i den amorfa strukturen på grund av den applicerade kraften som i slutändan tillåter materialet att slappna av till sin ideala konfiguration och frigöra sin energi. Datormodellen förutsäger platsen och egenskaperna hos dessa nanoskaliga defekter för olika typer av amorfa metaller, såväl som mängden energi som frigörs vid brott.
Gruppens modell identifierar också de mest troliga vägarna som sprickor fortplantar sig genom glaset och var dessa sprickor är mest sannolika att ta slut. Denna information kan hjälpa forskare och ingenjörer att undvika spröda brott och designa material som misslyckas på ett mer kontrollerat eller fördelaktigt sätt, vilket förbättrar prestandan och säkerheten hos dessa mångsidiga material.
Studien, "Nanoscale Plastic Events Control Fracture in Metallic Glasses", publicerades i tidskriften Physical Review Letters den 19 november 2018.
