東京大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員采用了一種新的計算機(jī)模型來模擬載力顆粒的網(wǎng)絡(luò)，這些顆粒即使缺乏遠(yuǎn)距離有序性也可以賦予非晶態(tài)固體以強(qiáng)度。這項工作可能會導(dǎo)致可用于烹飪，工業(yè)和智能手機(jī)應(yīng)用的高強(qiáng)度玻璃的新進(jìn)展。

諸如玻璃之類的非晶態(tài)固體(盡管很脆并且具有不形成有序晶格的組成顆粒)可以具有令人驚訝的強(qiáng)度和剛度。這更是出乎意料的，因為非晶態(tài)系統(tǒng)還會遭受較大的非諧波波動。秘訣是一個內(nèi)部的受力粒子網(wǎng)絡(luò)，它覆蓋了整個固體，從而為系統(tǒng)提供了強(qiáng)度。這種分支的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)就像骨架一樣，即使材料僅占總顆粒的一小部分，也可以防止材料屈服。但是，僅當(dāng)承力粒子的數(shù)量超過臨界閾值時，才在“滲流過渡”之后形成該網(wǎng)絡(luò)。隨著這些粒子的密度增加，從一端到另一端的滲透網(wǎng)絡(luò)的概率從零增加到幾乎確定。

現(xiàn)在，東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所的科學(xué)家已經(jīng)使用計算機(jī)模擬仔細(xì)地顯示了當(dāng)非晶態(tài)材料冷卻到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下時，這些滲濾網(wǎng)絡(luò)的形成。在這些計算中，使用有限范圍的排斥勢對二元顆粒混合物進(jìn)行了建模。研究小組發(fā)現(xiàn)，無定形材料的強(qiáng)度是由無序機(jī)械結(jié)構(gòu)的自組織引起的一種新興特性。

第一作者華通說：“在零溫度下，被堵塞的系統(tǒng)由于其內(nèi)部的滲濾網(wǎng)絡(luò)而將顯示出應(yīng)力的長期相關(guān)性。此模擬表明，即使在玻璃完全冷卻之前，對玻璃也是如此。”

可以通過識別該網(wǎng)絡(luò)中的粒子必須通過至少兩個強(qiáng)力鍵連接來識別受力主干。冷卻后，受力粒子的數(shù)量增加，直到跨系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)鏈接在一起。

高級作者田中肇說：“我們的發(fā)現(xiàn)可能為從機(jī)械角度更好地理解非晶態(tài)固體開辟道路。” 由于堅硬耐用的玻璃非常適合智能手機(jī)，平板電腦和炊具使用，因此該作品可以找到許多實際用途。

這項工作在《自然通訊》上發(fā)表為“由于機(jī)械自組織而產(chǎn)生的非晶態(tài)材料的新興堅固性”。