Самые прочные стёкла больше не будут хрупкими: их наполнят активными частицами
Самые прочные стёкла ломаются мгновенно: вся деформация сосредотачивается в одной плоскости, и материал раскалывается без предварительного изгиба. Эта хрупкость давно ограничивает применение высокостабильных аморфных твёрдых тел — от массивных металлических стёкол до инженерных метаматериалов. Данную информацию сообщает портал Phys.org.
Рашми Прия и Смараджит Кармакар из Института фундаментальных исследований Тата (TIFR) в Хайдарабаде вместе с Юргеном Хорбахом из Университета Генриха Гейне (HHU) в Дюссельдорфе нашли потенциальный обходной путь. Если во время сдвига «прослоить» стекло самодвижущимися частицами, его хрупкость заметно снижается, а способность выдерживать нагрузку растёт.
Хрупкость зависит от того, как приготовлено стекло. Медленно охлаждённое или хорошо выдержанное попадает в глубокую «долину» энергий: оно стабильно и трудно вывести из равновесия, но при превышении предела ломается. Быстро охлаждённое застревает в мелкой долине — оно слабее, зато пластичнее.
Разница видна под сдвигом: в хрупком стекле деформация подавлена, пока напряжение не достигнет большого значения, затем частицы внезапно выстраиваются в полосу сдвига — тонкую плоскость интенсивной перестройки, пересекающую весь образец, и напряжение резко падает. Менее стабильные стёкла деформируются постепенно, но не выдерживают большой нагрузки. Прочность и пластичность обычно конкурируют, и исследователи задались вопросом, можно ли изменить этот баланс уже после приготовления стекла.
Учёные провели теоретическое моделирование, добавив в стекло небольшую долю самодвижущихся частиц (SPP). Такие частицы несут собственное «топливо» и толкают себя, как бактерии в суспензии или синтетические коллоиды, плывущие при освещении. При правильных условиях активные частицы не размягчают стекло: кривая напряжение-деформация превращается из обрыва в округлый холм, стекло уступает позже и при большем напряжении. Одна плоскость разрушения заменяется сетью множества меньших полос, которые постепенно соединяются.
Такое поведение возникает из-за конкуренции трёх времён: времени, за которое сдвиг деформирует стекло, времени движения активной частицы в одном направлении и скорости распространения полосы сдвига. Когда время персистентности короткое, частица дребезжит среди соседей и не успевает вырваться из клетки, которую они образуют. Это дребезжание и укрепляет стекло, и порождает сеть полос. Если же частица движется в одном направлении достаточно долго, она выходит из клетки, облегчая деформацию и делая стекло более текучим.
Исследователи обнаружили эквивалентность: быстро сдвигаемое стекло со слабой активностью ведёт себя как медленно сдвигаемое с сильной активностью. Это сохраняется и при ползучести, когда приложено фиксированное напряжение: увеличение активности замедляет течение и снижает скорость деформации.
Работа устанавливает путь управления механизмом разрушения, не зависящий от приготовления материала. Пока это вычисления, поэтому следующий шаг — лабораторные эксперименты: плотные коллоидные системы с фотоактивными частицами выглядят многообещающим полигоном, хотя сегодня экспериментальные методы в основном ограничены гелями и суспензиями. В более далёкой перспективе — биологические ткани, которые испытывают внешние силы и могут подстраивать внутреннюю активность.
