构建块柔软度的多样性使得非晶态材料变得更软

发布时间：2024-05-31 17:14:17 栏目：精选知识

导读 东京都立大学的科学家创建了一种无序材料的新模型，以研究非晶态材料如何抵抗压力。他们将原子和分子团视为柔软度各异的柔软球体。将模型置...

东京都立大学的科学家创建了一种无序材料的新模型，以研究非晶态材料如何抵抗压力。他们将原子和分子团视为柔软度各异的柔软球体。将模型置于负载下后，他们发现较硬区域与力集中区域之间存在意想不到的差异，这些区域之间的区域会“变硬”，从而产生细长的“力链”。他们的发现有望为设计更好的材料提供新的见解。



当谈到建造硬质材料时，仅使用硬质成分是不够的。例如，当混凝土在中破裂时，产生的力会集中在某些地方，从而形成裂缝。众所周知，力通过混凝土和水泥等非晶态固体的传输遵循明确的路径，称为“力链”。破译它们如何出现将对理解此类固体在压力下的行为大有帮助，但目前尚不清楚它们是如何出现的，以及它们与材料特性有何关系。

这启发了东京都立大学由栗田礼教授领导的研究小组，他们构建了简单易懂的非晶态材料模型，这些模型或许可以告诉我们力链是如何形成的。他们没有简单地模拟某种材料中所有原子的运动，而是决定用不同刚度的球体来表示原子群，以反映这些原子群对力的反应。然后，他们研究的材料的特征是刚度在空间上的变化程度，以及硬区和软区图案的宽度。

他们首先使柔软粒子阵列变形，以寻找局部刚度是否与力链传递相关。最初，较硬区域和力链之间似乎存在明显的相关性。然而，进一步的分析表明，力链的形状更像绳子，与孤立的硬区域相关性不大。为了理解这种差异，该团队研究了一个更简单的模型，该模型由两个较硬的区域组成，中间有一个较软的区域，结果发现较软的区域变得更致密，产生了保持力链运转所需的高力。这是对力链连接基本机制的首次了解。

但这些变化如何影响材料的性质?事实证明，柔软度变化越大、软硬区域越宽，材料就越软，局部密度变化越大也是如此。我们可以得出的结论是，即使使用相同的构造块，由于力链分布更均匀，刚度更均匀的非晶态材料也会使材料更硬。

虽然真实材料中刚度变化的出现仍未被探索，但研究小组希望他们的新模型和机制能够为制造更好材料的设计原理铺平道路。

这项工作得到了 JSPS KAKENHI 资助编号 20K14431 和 20H01874 的支持。