Tappar en smartphone på glasskärmen, som är gjord av atomer som har fastnat utan någon märkbar ordning, kan leda till att det går sönder. Till skillnad från metaller och annat kristallint material, glas och många andra störda fasta ämnen kan inte deformeras signifikant innan de misslyckas och, på grund av deras brist på kristallin ordning, det är svårt att förutsäga vilka atomer som skulle förändras under misslyckande.

"För att förstå hur ett system väljer sitt omarrangemangsscenario, "sa Douglas Durian, professor i fysik och astronomi vid University of Pennsylvania, "vi måste knyta an till den underliggande mikroskopiska strukturen. För kristaller, det är lätt; omarrangemang är vid topologiska defekter som dislokationer. För orörda fasta ämnen, det är ett mycket svårt 40-årigt problem som vi nu knäcker:Vad och var finns strukturella defekter i något som är stört? "

För att hitta en länk mellan till synes olikartade störda material, ett tvärvetenskapligt samarbete mellan Penn -forskare vid School of Arts and Sciences och School of Engineering and Applied Science med expertis i olika material studerade ett oöverträffat utbud av störda fasta ämnen med bestående partiklar från individuella atomer till flodberg. Att förstå materialfel på en grundläggande nivå kan bana väg för att designa mer krossbeständiga glasögon eller förutsäga geologiska fenomen som jordskred.

I ett papper publicerat i Vetenskap , Penn -forskarna avslöjade gemensamheter mellan dessa störda system, definiera en motsvarighet till de "defekter" som är inblandade i kristallint materialfel. Denna så kallade "mjukhet" i störda system förutspår platsen för defekter, som är samlingen av partiklar som sannolikt kommer att förändras när materialet misslyckas.

Forskarna använde en teknik utvecklad av Durian med Penn Ph.D. examen Samuel Schoenholz, och Harvard University Ph.D. examen Ekin Dogus Cubuk, båda för närvarande på Google Brain; Andrea Liu, Hepburn professor i fysik i Penn's School of Arts and Sciences; och Efthimios Kaxiras, John Hasbrouck Van Vleck professor i ren och tillämpad fysik, Harvard School of Engineering and Applied Sciences. Liu och Daniel Gianola, sedan professor vid Penn's School of Engineering and Applied Science vid Institutionen för materialvetenskap och teknik och nu vid University of California, Santa Barbara, ledde studien. Daniel Strickland och Robert Ivancic, båda doktorander på Penn, är första författare, tillsammans med Cubuk och Schoenholz.

Papperet är kulmen på år av forskning som utförts vid Penn's Materials Research Science &Engineering Center (MRSEC) som är värd för Laboratory for Research on the Structure of Matter. Liu och Robert Carpick, John Henry Towne professor och ordförande i maskinteknik och tillämpad mekanik vid Penn var medledare för MRSEC:s integrerade forskargrupp med fokus på mekaniken i störda förpackningar.

Ett dussin av gruppens fakultetsmedlemmar, tillsammans med studenter och postdoktorer från sina laboratorier, bidragit till studien, tillhandahålla data från 15 simuleringar och experiment på olika typer av störda system. Partiklarna i dessa system varierade i storlek från kolatomer som utgör slitstarka motorbeläggningar till centimeterstora plastkulor i en flodmodell.

Använda maskininlärning, forskarna samlade hundratals mängder som kännetecknar partiklarnas arrangemang i varje system, mängder som individuellt kanske inte förväntas avslöja mycket. Viktigt, de hittade kombinationen av dessa mängder som starkt korrelerar med dynamiken. Detta gav en mikroskopisk strukturell egenskap som kallas mjukhet. Om mjukhet är känd, uppförandet av det störda materialet och hur sannolikt dess partiklar är att omarrangera kan förutses.

Systemen som forskarna studerade omorganiserades på grund av slumpmässiga termiska fluktuationer eller på grund av olika typer av påfrestningar som klämning eller sträckning. I samtliga fall, tekniken fungerade bra, och forskarna kunde med hög noggrannhet förutsäga sannolikheten för att systemen skulle ordna om.

Forskarna jämförde sedan egenskaper mellan olika system. De fann att längdskalan över vilken mjukhet var korrelerad var identisk med storleken på omarrangemang, eller antalet partiklar som rör sig när fel inträffar. Anmärkningsvärt, de fann att detta antal är nästan identiskt i alla dessa system oavsett partiklarnas storlek och hur de interagerar.

"Folk har pratat om vad som sätter storleken på lokaliserade omarrangemang i oriktiga fasta ämnen i 40 år, "Sa Liu." De spekulerade om lokaliserade defekter som de kallade skjuvtransformationszoner i störda system där omorganisationer sannolikt kommer att inträffa, men ingen hade sett detta direkt. De kunde inte förutsäga i förväg var omläggningar sannolikt kommer att inträffa. Med maskininlärning, vi säger, 'Låt oss träna systemet. Låt oss titta på omorganisationerna och strukturerna och se om vi kan ta reda på vad som är viktigt och sedan använda det. ' Det är begreppsmässigt väldigt enkelt, men det visar sig vara mycket kraftfullt. "

Forskarna mätte också avkastningsbelastningen, eller hur mycket fastämnet kan deformeras innan det börjar deformeras plastiskt. De fann också att avkastningsbelastningen är ungefär densamma för alla störda fasta ämnen över system som sträcker sig över 13 storleksordningar i deras mekaniska styvhet. Som jämförelse, utbytesstammarna för olika kristallina material kan variera hundra- eller tusenfaldigt.

Nu när forskarna har visat att upp till och runt när stress appliceras, alla dessa system ser likadana ut, nästa steg i ansträngningen leds av Durian och Paulo Arratia, professor i maskinteknik och tillämpad mekanik vid Tekniska högskolan. Deras mål är att gå utöver avkastningen, där allt blir kaos och systemen börjar se extremt olika ut. Vissa systembrott, andra visar skjuvband och andra, som skum, kan flyta smidigt för alltid.

"När en omorganisation sker, mjukheten hos de närliggande partiklarna förändras, "Durian sa, "men, på grund av långsträckta elastiska kopplingar, så kan partiklarnas mjukhet till och med ganska långt bort, som illustreras av dessa data. Således, en omorganisation har en icke -inverkan på var nästa omläggningar sannolikt kommer att inträffa. Särskilt, kommer närliggande omorganisationer att uppmuntras och därmed främja skjuvband, eller kommer de att bli avskräckta och därmed främja seghet? Vi tror att förstå och slutligen kontrollera det komplexa samspelet mellan omorganisationer, påfrestning, och struktur - här kvantifierad med mjukhet - är nyckeln till att förbättra segheten. "

Om forskarna kan förstå varför olika system beter sig annorlunda bortom avkastning, de kanske kan kontrollera mjukhet och hur den utvecklas när den är stressad. Detta kan leda till tuffare beläggningar och material, till exempel mer hållbara glasskärmar för telefoner.

"Disordered fastämnen har många bra egenskaper, "Sa Liu." Du kan forma dem till vilken form du vill eller skapa ytor som är atomiskt släta, vilket du inte riktigt kan göra med kristallina system. Men de tenderar att krossas lätt. Om vi ​​kan förstå vad som styr det och hur vi kan förhindra det, då börjar begreppen ha riktiga tillämpningar. I ett idealiskt fall, vi vill utveckla nytt, tuffare material som inte är lika spröda eller inte går sönder så katastrofalt. "