Физики выяснили, как бьется металлическое стекло
Американские физики просчитали то, что происходит со листом стекла в тот момент, когда оно начинает разбиваться на осколки, и эти вычисления помогут ученым создать более прочные и экзотические по составу металлические стекла, говорится в статье, опубликованной в журнале PNAS.
"Разрушением стекла управляет два процесса. Один связан с формированием стекла - при застывании в нем формируется множество слабых и сильных точек. Второй фактор - случайность этого процесса. Все химические реакции требуют сосредоточения энергии на каком-то типе движений, но атомы и молекулы в стеклах двигаются очень сложным образом, и поэтому приходится ждать, когда такая реакция случайно произойдет. Нужно некое "ядро раскола", чтобы стекло раскололось", - рассказывает Питер Волынес (Peter Wolynes) из университета Райсов в Хьюстоне (США).
Речь идет не о простом стекле, а о так называемом металлическом стекле, изобретенном в середине 20 века. Оно изготавливается из специального сплава металлов, в отличие от обычного силикатного стекла, которое состоит из оксида кремния и окислов кальция, натрия и некоторых других элементов. Этот материал устойчив к коррозии и износу, легко поддается плавке и отливке, и к тому же он не такой хрупкий, как обычное стекло.
Подобные сплавы обладают аморфной структурой - так называемой структурой "ближнего порядка", в отличие от традиционных сплавов металлов, которые образуются из упорядоченных микрокристаллов - структур "дальнего порядка". Кроме того, ученые находят свидетельства того, что металлические стекла состоят из небольших однородных структур "среднего" порядка. В них атомы не только образуют упорядоченные группы с соседними атомами, как в аморфном состоянии материи, но и формируют более крупные домены.
Физические свойства металлических стекол еще не до конца изучены, и Волынес и его коллега Апиват Виситсорасак (Apiwat Wisitsorasak) попытались раскрыть одну из главных тайн этих сплавов - то, почему и как они бьются.
Как объясняют ученые, главным отличием металлических стекол от прочих сплавов является то, что молекулы и атомы в них не стоят на месте, а постоянно двигаются. Фактически, стекло представляет собой жидкость, движение которой практически "заморожено".
Если стекло сжать достаточно сильно, в нем появятся особые зоны напряжения, так называемые сдвиговые полосы, вдоль которых стекло начинает кристаллизоваться, расслаиваться и раскалываться на части. Об их существовании ученые знали давно, но то, как они возникают и что управляет их развитием, оставалось тайной для физиков.
Виситсорасак и Волынес закрыли этот пробел в научных знаниях, создав компьютерную модель, которая просчитывала формирование подобных полос внутри стекла при приложении критического давления. Эта модель, по словам ученых, была разработана ими на базе теорий о формировании металлического стекла, которые создавались в стенах университета Райсов на протяжении последних 20 лет.
По словам физиков, их формулы позволили им корректно просчитать то, как бьются листы из металлического стекла марки Vitreloy 1, созданного в Калифорнийском технологическом институте в начале текущего века. Как рассказывает Волынес, их модель корректно показала то, как формируются сдвиговые полосы и как они превращаются в более крупные структуры, раскалывающие стекло.
Все это, по словам ученых, позволяет экономить месяцы исследований на изучение свойств стекол, что ускорит их изучение и создание "идеального" металлического стекла, которое будет обладать высокой прочностью и при этом не потеряет все положительные качества этой формы сплавов.
