Över tid, när ett metalliskt glas utsätts för stress, dess atomer kommer att förändras, glider och bildar slutligen band som lämnar materialet mer benäget att brytas. Forskare från Rice University har utvecklat nya beräkningsmetoder baserade på en allmän teori om glasögon för att förklara varför.

Ett nytt papper i Förfaranden från National Academy of Sciences av Rice -fysikern Peter Wolynes och den tidigare doktoranden Apiwat Wisitsorasak lägger en grund för att beräkna hur alla typer av glas förändras över tid när de utsätts för mekanisk påfrestning. Deras formler kan hjälpa forskare och tillverkare att göra glas bättre för specifika applikationer.

Metallglas är legeringar som har en glasliknande störd struktur snarare än de polykristallina strukturerna hos välkända metaller. De kan vara både spröda och sega i grader och kan göras till komplexa former, som golfklubbens huvuden. Till skillnad från fönsterglas, de är ledande och kan vara användbara för elektronik.

Utåt, glas kan verka fast, men den slumpmässiga uppsättningen molekyler inuti rör sig alltid, Sa Wolynes. Det har varit känt i decennier att när det är stressat, glasögon kommer att bilda skjuvband, linjer som lokaliserar stammen. Många idéer har lagts fram om hur detta händer, men nu kan Rice -gruppen förklara fenomenet med hjälp av en allmän teori om hur glasögon bildas baserat på energilandskap.

Wolynes har fortsatt sin långvariga studie av glasets molekylära egenskaper vid Rices Center for Theoretical Biological Physics (CTBP), där han också utvecklar fysiken i energilandskap för protein- och DNA -vikning. Hans motivation för det nya arbetet var att se om bildandet av skjuvband kan förklaras genom beräkningar som beskriver hur stress förändrar graden av atomarrangemang i glaset.

"Mitt omedelbara intresse är att visa att detta fenomen med skjuvband, vilket är en märkbar sak i metalliska material, kan förstås som en del av den enhetliga teorin om glasögon, sa han. Den teorin, bildad under decennier av Wolynes och kollegor, beskriver många aspekter av hur glasögon bildas när en vätska kyls.

Han sa att två faktorer föranleder bildandet av skjuvband i metallglas. "Det ena är att när glas bildas, det är lite svagare på vissa ställen än andra. I det avseendet, banden är delvis programmerade i glaset.

"Den andra faktorn är elementet av slumpmässighet, "sa han." Alla kemiska reaktioner kräver koncentrerad energi i ett visst rörelsemod, men rörelse i glas är särskilt komplex, så du måste vänta tills en aktiverande händelse händer av en slump. Du behöver en slags kärnhändelse. "

Dessa till synes slumpmässiga "aktiveringshändelser, "molekylära kopplingar som sker naturligt när en superkyld vätska flödar, bli sällsynta när glaset sätter sig i sin form men stiger upp när glaset är spänt. Händelserna utlöser kooperativ rörelse av angränsande molekyler och resulterar så småningom i skjuvband.

Banden, forskarna skrev, markera områden med hög rörlighet och där lokal kristallisation kan uppstå och visa var glaset i slutändan kan misslyckas.

Wolynes sa att den slumpmässiga första ordningens övergångsteori tillåter forskare att "säga saker om statistiken över dessa händelser, hur stora de är och de involverade regionerna, utan att behöva simulera en fullständig händelse med hjälp av molekylär dynamiksimulering.

"Detta öppnar möjligheten att göra realistiska beräkningar av glasets styrka och, säkert, metalliska glasögon. Man kan också lägga till funktionerna för kristallisering och frakturer till modellen, som skulle vara av intresse för materialvetare som arbetar med praktiska tillämpningar, " han sa.

Wolynes och Wisitsorasak testade sina idéer på en tvådimensionell datormodell av Vitreloy 1, ett metalliskt glas utvecklat vid California Institute of Technology som "fryser" vid sin glasövergångstemperatur på 661 grader Fahrenheit.

Forskarna belastade modellen, kollapsade de månader som krävdes för en praktisk studie till sekunder och såg materialet bilda skjuvband exakt så som det ses av laboratorier och i linje med etablerad teori, Sa Wolynes.

Datormodeller är vägen att gå för sådana studier, han sa, eftersom laboratorieexperiment kan ta månader eller år att bära frukt. "Vårt arbete sätter scenen för ett nytt sätt att modellera de mekaniska egenskaperna hos glasartade material som flyter, liksom detta konstiga fenomen där effekten du ser är makroskopisk, men det orsakas faktiskt av händelser på nanoskala, " han sa.