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用“Anti-crystal”来描述无序或部分有序材料

来源(网络)   2015-03-26
导读:摘要现在,研究者正在取得一些进展,至少在模拟阶段使用理想的球形原子来构建局部位置添加一些短程有序,长程无序的非晶。

材料能被描述成完美有序的晶体到完全无序的非晶体。材料学的研究已经取得了很大的成功,一个多世纪以来,材料学研究以“完美的晶体”的观点出发,实际晶体是含有局部缺陷的不完美的体系。现在,研究者正在取得一些进展,至少在模拟阶段使用理想的球形原子来构建局部位置添加一些短程有序,长程无序的非晶。

宾夕法尼亚大学物理与天文学系的Carl Goodrich说,“以完美晶体出发的材料学已经能够很成功和非常精确的用数学的方式了解材料的性能,然而这种方式在无序系统中是不行的”。他对于无序系统的概念是广义的,包括玻璃,泡沫,乳胶,和一堆沙子中的堆积的颗粒。对于这些系统,你不能用完美晶粒的方法来明白他们的行为。他们从根本上都不同。Goodrich说,“这样你就可以开始问自己,是不是有什么其他的方式可以作为出发点?”

答案是肯定的,新的出发点是物理扰动相变,许多研究团队已经研究了1015年了。这些研究都是基于模拟互相排斥的软球的堆叠,他们之间没有相互作用,也没有仙姑接触。当压缩这样一个系统的时候,Goodrich解释到,当粒子之间的的相互接触不可避免的时候,干扰发生了,系统表现的像一个流体,抗剪切能力差,在慢慢的像固体,能够抗剪切力。Goodrich 说,“我们发现这种干扰转变在很多方面是观察到的不同无序系统的共性。

在新一期的Nature PhysicsGoodrich和他的宾夕法尼亚大学同事Andrea Liu与芝加哥大学Sidney Nagel提出了一种有扰动相变的材料光谱。非晶代表着一边完全无序,而晶体代表着一边完全有序。

在他们的模拟中,研究人员测试了三种被各种扰动的球形颗粒系统。一开始,该系统由4000个颗粒按面心立方晶格排列。然后空位通过去除其中的一些颗粒而随机生成,调整虚拟空间的大小到需要的体积分数。然后将系统放松到一个新的局部能量最小。第二个系统的处理方式是一样的,只是一开始是4394个球形颗粒按体心立方晶格排列第三个系统也是重复第一个系统,除了缺陷是成对出现的(即没去除一个球,另外就随机添加一个球)

通过定义一个有序参数即完全有序的晶体的值为1,完全无序的非晶的值为0。研究人员能够计算出系统的无序程度的增加后的剪切模量G和体积弹性模量B。需要剪切一个晶体样品的所需能量与压缩需要的能量接近。对于流体,没有这种情况,剪切流体不需要能量而压缩则需要能量,这个发现令他们很惊讶。

Goodrich说,“我们的结果表明不仅在一定量的有序系统下,非晶的扰动转化的物理性质存在,而且在大量的有序系统存在的条件下,这种物理性质仍然很明显。你可以使系统75%85%都是有序的,只有一小部分是无序的,还是这些无序的系统控制着基体的力学性能。我的意思是系统仍然具有抗剪切的能力。他认为在我们尝试去设计新的材料的时候,以材料处于无序状态,有序状态作为缺陷存在的观点出发会有更多的发现。

这一领域的研究专家,麻省理工学院材料科学与工程系的Christopher Schuh没有参与这样研究,他说,“多年来,我们的实验表明在晶体的变形行为和非晶的变形行为之间随着无序系统的增加,是一个平稳的过渡。Goodrich的工作很有趣,因为他提出一个统一的物理模型来描述这些基于干扰相变的纳米结构材料。

然而对于这些理想化的模拟真实材料的适用性的持谨慎态度,作者认为有理由期望他们的结果与更复杂的相互作用如远程粒子之间的力是相关的。他们计划在今后的工作中研究更复杂的情况。Goodrich说,“这不能使用于每个系统,每一个系统都不是完全相同的。只是表明可能存在一个你可以从两个极端即完美晶体和非晶体去研究的情况。