Forskare vid Institute of Industrial Science, University of Tokyo studerade de anomala egenskaperna hos amorfa fasta ämnen, inklusive glasögon, med hjälp av datorsimuleringar, och hittade en gemensam vibrationsmekanism som ligger bakom dem, som kan hjälpa till att kontrollera glasets egenskaper. Kredit:Institute of Industrial Science, University of Tokyo
Forskare från Institute of Industrial Science vid University of Tokyo använde simuleringar av molekylär dynamik för att bättre förstå de ovanliga egenskaperna hos amorfa fasta ämnen, såsom glas. De fann att vissa dynamiska defekter hjälper till att förklara de tillåtna vibrationslägena inuti materialet. Detta arbete kan leda till att kontrollera egenskaperna hos amorfa material.
Ibland annonseras dyrt glas som "kristall", men för materialforskare kan detta inte vara längre från sanningen. Kristaller bildas av atomer ordnade i ordnade, upprepande mönster, medan glas är ett oordnat, amorft fast ämne. Forskare vet att vid låga temperaturer har många oordnade material egenskaper som är mycket lika varandra, inklusive specifik värme och värmeledningsförmåga. Dessutom skiljer sig dessa egenskaper avsevärt från de hos material gjorda av ordnade kristaller. Vidare, vid ett visst frekvensområde, har glasartade material ett större antal tillgängliga vibrationslägen än kristaller, kända inom området som "bosontoppen". Även om olika teorier har föreslagits, har de underliggande fysiska mekanismerna för dessa observationer förblivit en fråga om aktiv forskning.
Nu har forskare från Tokyos universitet använt sofistikerade datorsimuleringar för molekylär dynamik för att numeriskt beräkna de transversella och longitudinella dynamiska strukturfaktorerna för modellglasögon över ett brett spektrum av frekvenser. De fann att strängliknande vibrationsrörelser, där böjda linjer av partiklar packade i en "C"-form inuti materialet kan röra sig tillsammans, visade sig vara viktiga drivkrafter för de anomala effekterna. "Dessa dynamiska defekter ger en gemensam förklaring till ursprunget till de mest grundläggande dynamiska lägena för glasartade system", säger första författaren Yuan-Chao Hu. Förutom bosontoppen kan dessa strängliknande dynamiska defekter orsaka de typer av snabb och långsam avslappning som observeras i partiklarna som utgör glaset.
Denna forskning har många viktiga implikationer för både grundläggande vetenskap och industriella tillämpningar eftersom bosontoppen finns i många system, inte bara glasögon. "Vi visar att bosontoppen härrör från kvasi-lokaliserade vibrationer av strängliknande dynamiska defekter", säger seniorförfattaren Hajime Tanaka. Att kunna förklara denna funktion kommer att belysa många andra typer av oordnade material. Det kommer också att gynna många användare av smarta enheter, eftersom nästan alla smartphones, surfplattor och bärbara datorer med pekskärm är beroende av glasmaterial som resultaten av denna studie kan förbättras.
Verket publiceras i Nature Physics . + Utforska vidare
