研究描述了外力如何驱动无序固体中单个颗粒的重新排列

时间:2020-06-28 22:13 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

研究描述了外力如何驱动无序固体中单个颗粒的重新排列

发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)杂志上的一项新研究描述了外力如何推动单个粒子的重新排列,并在无序材料中塑造微观结构。这项研究由研究生拉里·加洛韦、博士后马晓光、教职工保罗·阿拉蒂亚、道格拉斯·杰罗尔马克和阿尔琼·尤德共同完成,为无序的玻璃状固体的微观结构如何与外部压力和单个粒子运动的变化相关提供了新的见解。这些发现为创造具有独特机械性能的可定制材料提供了潜在的新方法。

纵观历史,人们一直在寻找使材料更有弹性、更灵活、更耐用的方法,无论是大马士革钢剑还是硫化橡胶。如今,最先进的成像技术允许科学家在原子水平上研究材料,但即使有这种增强的分辨率,研究材料在外力作用下仍然是一个挑战。这使得开发“自下而上”的设计方法变得困难,这种设计方法可以赋予材料特定的机械性能。

有一类材料,无论是研究还是操作起来都特别具有挑战性,那就是无序材料。有序材料具有晶体结构,原子位于明确的、可预测的位置,比如蜂窝晶格。与有序材料不同,无序材料中的原子是随机排列的,就像一堆沙子中的颗粒。无序的材料,比如用于智能手机屏幕的玻璃,有很多有用的特性,但如果掉落或破碎,就会很脆弱。

为了更好地理解无序材料是如何被修改以赋予其新的特性,研究人员在塑性变形过程中对其进行了研究。在这个过程中,材料被驱动流动,组成材料的原子、分子或粒子可以轻易地相互滑动,导致材料的整体结构发生永久性的重新排列。研究人员的目标是寻找可量化的关系,将材料在外部压力影响下的变化能力与单个粒子的重新排列联系起来。

研究小组使用一种由5万个模拟原子的胶体粒子组成的“模型”无序材料进行了实验。单个的“原子”在水界面上分布得很稀疏,研究人员用一根小磁针以剪切力推动原子层,使它们沿着特定的路径流动。通过剪切过程中收集的视频,他们能够追踪所有5万个粒子的运动。

研究描述了外力如何驱动无序固体中单个颗粒的重新排列

利用这个数据集,研究人员计算出了两个对理解无序固体反应至关重要的物理量:过剩熵和弛豫时间。过剩熵是对总体样本结构的一种衡量,它表征了材料的无序程度。粒子弛豫是对物质反应动力学的一种测量,它描述了单个粒子相互移动的速度。

“我们注意到,这两个量的关系真的很好,”加洛韦说这个数据集的分析,研究人员用来量化胶体“原子”的速度越过另一个压力时,比较率如何无序成为最终的材料。

过剩熵的概念以前曾被用于研究处于平衡状态的液体和系统,这意味着作用在系统上的所有力都处于平衡状态。目前的工作是第一个实验,应用这些想法的系统是不平衡的,如塑性变形无序材料在这里研究。“我们发现,在液体的标准理论中经常使用的相同概念——过剩熵,可以帮助我们理解固体是如何变形的,”马说。

通过量化结构或过剩熵与塑性变形过程中的动力学或松弛时间之间的关系,研究小组确定了单个粒子位置的变化与材料整体结构之间的联系。Yodh说:“首先,我们施加外部压力来推动材料。”然后,材料中的粒子重新排列,最终松弛成一个新的内部结构。我们发现,施加这个外力的速度越快,粒子重新排列的速度就越快,最终的物质结构就会变得越无序,这一点可以从其过剩的熵得到反映。”

这一发现增进了人们对材料动力学与单粒子微观结构之间关系的理解,现在可以帮助材料科学家理解给定材料的“历史”。“如果我知道了塑性变形的速率,那么我就可以预测材料在最终状态下的顺序。”另外,如果你观察一种材料并测量它的微观结构顺序,那么我可以告诉你一些关于塑料变形过程的事情。”马说。

研究人员现在正计划进行更多的实验,以更局部地计算过剩熵,并观察比本实验更无序的系统。如果他们发现在目前工作中建立的物理原理可以推广到其他类型的材料,这可能为原子水平测量与理想的机械性能的新方法铺平道路。“然后,你可以学习如何以特定的方式准备材料,通过更快或更慢的剪切,这样你就有了一个不会破碎的屏幕,”Arratia说。

当前位置:主页 > 化学知识 >

声明:本文杏鑫娱乐整理不代表个人观点,转载请注明原文,点击还能查看更多的文章;本文网址: http://www.kozbods.com/huaxue/yjmslwlrhqdwxgtzdgkldzxpl.html

围观: 次 | 责任编辑:杏鑫

延伸阅读

SEO关键字



回到顶部