Теперь у физиков из Пенсильванского и Чикагского университетов есть доказательства того, что в основе нашего понимания большинства материалов должна лежать новая концепция: антикристалл, теоретическое твердое тело, которое полностью неупорядочено.Их работа предполагает, что, пытаясь понять механические свойства реального материала, ученым во многих случаях было бы лучше начать с каркаса антикристалла и добавления порядка, чем начинать с идеального кристалла и добавлять беспорядок. Это потому, что механические свойства даже слегка неупорядоченного твердого тела могут иметь больше общего с антикристаллом, чем с идеальным кристаллом.
Понимание этих свойств имеет решающее значение для моделирования того, как материалы будут реагировать на нагрузки, а также для разработки новых материалов и прогнозирования их поведения.Исследование, опубликованное в журнале Nature Physics, было проведено Андреа Лю, профессором физики Школы искусств Пенна.
Наук; Карл Гудрич, аспирант своей группы; и Сидни Нагель, профессор физики Чикагского университета.«Одна из причин, по которой идея идеального кристалла была столь успешной за последние 100 лет, — сказал Гудрич, — состоит в том, что свойства несовершенного кристалла часто очень похожи».Вне строго контролируемых условий ни один настоящий кристалл не идеален; В общей структуре всегда есть места беспорядка, которые называются дефектами.
Однако, описывая поведение кристаллического материала, ученые начинают с того, что рассматривают его как идеальный кристалл, а затем экстраполируют с этого момента, исходя из того, насколько распространены его дефекты на самом деле. Знать точную форму и расположение каждого дефекта необязательно.
«Но если вы продолжите добавлять беспорядок, экстраполяция с идеального кристалла не удастся. Механические свойства больше не могут быть хорошо описаны с помощью идеального кристалла.
Вот где вступает в действие антикристалл», — сказал Гудрич.Некристаллические или аморфные материалы могут иметь внутри себя области с атомами в различных повторяющихся узорах, но без всеобъемлющего порядка.
Это означает, что свойства стекла или пластика не могут быть выведены из идеального кристалла, но. работать с другого конца спектра, с совершенно неупорядоченным твердым телом, было невозможно. Не все расстройства одинаковы; колода карт, например, имеет один «правильный» порядок, но может быть перетасована в астрономически большое количество различных последовательностей.«За последнее десятилетие или около того, — сказал Лю, — многие исследователи показали, что у всех этих различных способов полного расстройства действительно есть что-то важное общее, например, насколько вероятно, что вы начнете рисовать определенную руку даже с учетом всех способов. вы можете перетасовать колоду карт.
«Теперь мы понимаем, что для определенного класса взаимодействий есть отправная точка для понимания того, почему разные очки имеют схожие свойства», — сказала она. «Это фазовый переход, который происходит, когда жидкость становится неупорядоченным твердым телом под давлением, который мы называем« переходом с заклиниванием »».Фазовый переход — это то, что происходит, когда одно состояние вещества превращается в другое, например, когда вода замерзает.
Снижение температуры означает, что атомам водорода и кислорода воды больше не хватает энергии, чтобы отскочить от шестистороннего узора, в который они естественным образом приживаются. Не имея возможности двигаться и обтекать друг друга, атомы водорода и кислорода кристаллизуются в твердый лед.
Однако другой способ получения твердого тела — это сжимать частицы (например, атомы, молекулы или даже песчинки) вместе, физически ограничивая их движения под высоким давлением.«Каждый раз, когда у вас есть критическая точка, такая как фазовый переход, изучение деталей, действительно близких к этому переходу, говорит вам о том, как ведут себя системы, находящиеся дальше от перехода», — сказал Гудрич.Путем экстраполяции от перехода от помехи исследователи показали, что даже довольно упорядоченные материалы демонстрируют поведение, более близкое к поведению антикристалла, чем идеальный кристалл.
«Чтобы полностью перемешать упорядоченную колоду, требуется семь перетасовок. Но предположим, что вы просто перемешаете ее один раз», — сказал Гудрич. «Мы говорим о том, что когда дело доходит до механического поведения материалов, даже эта колода ближе к полной перетасовки, чем к полному упорядочению».«Пятьдесят два — большое число, если задуматься о перестановках, — сказал Лю, — но это далеко не число Авогадро и различные способы расположения всех атомов в куске стекла».Иметь лучшую отправную точку для стекла или пластика было бы благом как для исследований, так и для промышленного дизайна, но принципы антикристалла мощны, потому что они также могут дать представление о многих кристаллических материалах.
Чтобы сделать такие сплавы, как сталь, более прочными, часто нужно делать их кристаллические структуры все меньше и меньше, что означает, что их поведение лучше и лучше описывается антикристаллом.«Так же, как идеальный кристалл имеет очень четко определенные свойства, — сказал Лю, — антикристалл имеет четко определенные свойства, и мы можем думать о реальных материалах как о чем-то посередине между ними. Мы показали, что это не так. возьмите много беспорядка, прежде чем антикристалл станет лучшей отправной точкой ".
Исследование было поддержано Министерством энергетики США и Национальным научным фондом.