| 0 |
|
Новое исследование сотрудников Окриджской Национальной Лаборатории (ORNL) проливает свет на специфику процессов, происходящих при деформации стеклоподобных материалов и, в частности, на механизм, ответственный за их разрушение.
Стекло и открытые в 1991 г. стеклоподобные металлические сплавы, пребывают в метастабильном состоянии, в котором система обладает более высокой энергией, чем ее стабильная — кристаллическая фаза. В отличие от аморфных металлов, изучаемых с середины прошлого столетия, метастабильные сплавы не столь легко кристаллизуются при повышении температуры. В комнатных условиях металлические стекла достаточно устойчивы, чтобы не менять заметно своих свойств на протяжении человеческой жизни.
Благодаря таким качествам металлическое стекло можно переплавлять не переводя его в кристаллический вид и использовать для изготовления методом прецизионного литься деталей, не требующих шлифования и полировки. Несмотря на высокую себестоимость, уникальные качества данного материала, такие как прочность и упругость (соответственно, в три и в десять раз больше, чем у стали), обеспечили ему довольно широкое поле применения. Он используется для изготовления нержавеющих бритвенных лезвий и скальпелей, биосовместимых имплантах костей, износостойкого покрытия труб нефтеперегонных фабрик, эксклюзивных теннисных ракеток и клюшек для гольфа, а также устойчивого к царапинам логотипа яблока на корпусе iPhone 6.
Большие перспективы связывают с использованием металлических стекол в компьютерных чипах для снижения электромагнитного шума, вызывающего нагрев, в корпусах наручных часов, компьютеров, смартфонов и автомобилей. Стоимость материала не является препятствием, так как она неизбежно снизится в силу экономических законов крупного производства.
Более серьезное препятствие, это довольно высокая хрупкость таких материалов, а точнее отсутствие знаний природы быстрого разрушения почти без пластической деформации, необходимых для эффективного противодействия путем целенаправленного проектирования, например, многослойных композитов.
Обладатель Нобелевской премии по физике Филип Андерсон (Philip Anderson) назвал стекло с его дезорганизованной атомной структурой «самой глубокой и наиболее интересной нерешенной проблемой в физике твердого тела».
В статье, вышедшей в Nature Communications, Такеши Эгами (Takeshi Egami) и Юэ Фань (Yue Fan) из ORNL представили результаты компьютерного моделирования процессов, непосредственно предшествующих разрушению стекла. Было показано, что при деформации происходит переключение атомных связей между очень короткими цепочками из порядка пяти атомов. До этого открытия ученые считали, что количество атомов, вызывающее пластическую деформацию, может варьироваться от 20 до 600.
Выявленный критерий носит универсальный характер, т.е. применим как к стабильным (аморфным), так и к нестабильным стеклам. Организация таких индивидуальных цепочек однозначно характеризует пластичность материала — способность к деформации под внешней нагрузкой, улучшение которой может открыть для металлических стекол массовые рынки.
В ходе компьютерного эксперимента сравнивались металлические стекла, которые были нагреты до перехода в жидкое состояние, а потом, медленно или быстро, охлаждены почти до абсолютного нуля. В быстро охлажденном стекле оставалось больше пятиатомных «переключателей», чем в том, что остужалось медленнее. Повышенная плотность коротких цепочек создавала больше путей для диссипации энергии путем переключения атомных связей, то есть такое стекло должно иметь улучшенную пластичность.
В дальнейшем авторы продолжат изучение перехода деформации в разрушение. По словам Эгами, по мере деформации количество атомов в цепочке возрастает до 20, после чего этот процесс может вступать в лавинообразную стадию развития, и в конечном итоге охватывает все атомы системы. Еще одним интересным направлением исследования является влияние дефектов на деформацию стекла. В таких материалах дефектов настолько много, что ученые порой затрудняются считать их дефектами.
«Огромный вакуум наличествует в том, что мы знаем о жидкости и стеклах, просто потому, что любые исследования в этой области сложны и не создано достаточного научного задела, — заявил Эгами. — В мире имеется множество материалов, в которых никто толком ничего не понимает».
Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365
| 0 |
|
