Ett team under ledning av Tokyos universitet utvecklade en ny metod för att förstå den strukturella organisationen av oordnade samlingar av mjuka skivor eller sfärer med hjälp av ett nytt tillvägagångssätt:att fokusera på lokala mekaniska egenskaper som skiljer sig fundamentalt från tidigare tillvägagångssätt för ordnade kristaller och oordnade amorfa kristaller. fasta ämnen. Särskilt, forskarna fokuserade packningar härrörde från fenomenet "jamming, " där ett fritt rinnande ämne plötsligt täpps till när densiteten ökar. Arbetet kan hjälpa till med utformningen av effektivare industriella material som är mindre benägna att gå sönder under extern belastning.

Föreställ dig att du sitter på stranden och leker med sandhögarna. Men när du försöker dekorera slottet som du just har byggt, du är förvånad över att finna att endast en mycket liten operation leder till dess kollaps. I detta fall, du har precis upptäckt "marginalstabiliteten" hos amorfa fasta ämnen, på grund av vilket systemet förlorar sin stabilitet oväntat. Även om amorfa fasta ämnen finns överallt i naturen och har breda industriella tillämpningar, det kan vara ett allvarligt problem för vår säkerhet om de faller sönder utom kontroll. Den strukturella organisationen av amorfa fasta ämnen, vilket leder till marginell stabilitet, är ganska komplex och fortfarande inte helt förstådd. Faktiskt, de flesta forskare har för avsikt att förstå amorfa fasta ämnen med hjälp av de etablerade modellerna av ordnade kristaller, men konsensus har aldrig nåtts.

"Trots intensiva studier under decennier, den enhetliga beskrivningen av amorfa fasta ämnen har ännu inte fastställts ordentligt, " säger första författaren Dr. Hua Tong.

För det aktuella projektet, forskarna använde datorsimuleringar av mjuka skivor eller sfärer som kan flöda vid låg densitet, men fastnar när den packas tillräckligt tätt. Deras nyckelinsikt var att flytta fokus från geometri till den mekaniska eller vibrationsaspekten av amorfa fasta ämnen. Teamet introducerade en ny ordningsparameter som de kallar "vibrabilitet, " som styr hur mycket atomerna vibrerar när de värms upp oändligt mycket från noll temperatur. Oklicka fononer, som är kollektiva vibrationer i kristaller, vibrabiliteten i ett amorft fast ämne beror på den lokala miljön, och varierar från plats till plats genom hela provet. Forskarna visade att platser med hög vibrabilitet motsvarar oordnade "mjuka fläckar" som är viktiga för att avgöra var systemet kan misslyckas under störningar.

Amorfa fasta ämnen kan hittas i en mängd olika former, ändå verkar de alla dela viktiga egenskaper när de undersöks. "En viktig observation av amorfa fasta eller fastklämda packningar är att, medan de har olika geometriska strukturer, de uppvisar ganska universella vibrationsegenskaper", säger seniorförfattaren Prof. Hajime Tanaka. "Upptäcktena från datorsimuleringar är därför av grundläggande betydelse för både teoretiska och tillämpningsändamål."