Скло часто цінують за його міцність і стабільність, але саме ці властивості роблять його небезпечно крихким: після досягнення межі воно може зламатися майже миттєво вздовж однієї вузької площини. Нова комп’ютерна робота, про яку розповідає Scienmag, показує, що цей компроміс між міцністю та пластичністю можна частково обійти за допомогою активних, тобто саморухомих, частинок.
Дослідники продемонстрували в моделюванні, що введення невеликої кількості таких частинок у скло, яке зазнає зсувної деформації, здатне перетворити катастрофічний злам на повільніший і просторово розподілений процес. Замість одного домінантного зсувного каналу формується мережа менших смуг, завдяки чому матеріал витримує більші навантаження перед руйнуванням.
Стабільність проти пластичності в аморфних тілах
Робота команди Рашмі Прії (Rashmi Priya) та Смараджіта Кармакара (Smarajit Karmakar) з Інституту фундаментальних досліджень Тата в Гайдерабаді у співпраці з Юрґеном Горбахом (Jürgen Horbach) з Університету Гайнріха Гайне в Дюссельдорфі стосується давньої проблеми механіки аморфних твердих тіл.
На відміну від кристалів, скло не має періодичної атомної структури: частинки розташовані безладно й «заморожені» в конфігураціях, успадкованих від рідкого стану. Ступінь стабільності такого матеріалу залежить від способу його отримання. Повільно охолоджене чи довго «старіюче» скло потрапляє в глибокий енергетичний мінімум і дуже стійке до збурень. Це забезпечує високу міцність, але водночас робить матеріал крихким.
Швидко охолоджене скло, навпаки, опиняється у вищому, менш стабільному енергетичному мінімумі. Його легше деформувати, воно є більш пластичним, але витримує менші навантаження. Цей контраст особливо добре видно під час зсуву, коли нижня грань зразка фіксована, а верхню зсувають убік.
У стабільному склі частинки опираються перебудові доти, доки напруження не досягне великої межі текучості. Після цього виникає колективна перебудова — вузька зсувна смуга, де відбувається локалізований інтенсивний рух частинок. Щойно така смуга проходить через увесь зразок, напруження різко падає, і матеріал може зламатися практично миттєво. Менш стабільні скла деформуються поступовіше, з більш рівномірними перебудовами, але руйнуються при нижчих навантаженнях.
Десятиліттями цей, здавалося б, неминучий компроміс обмежував проєктування металевих стекол, аморфних покриттів, м’яких твердих тіл і метаматеріалів.
Активні частинки як внутрішнє кероване навантаження
Автори роботи дослідили, чи можна змінити механічну поведінку скла вже після його формування, а не лише за рахунок режиму охолодження чи старіння. У своїх чисельних моделях вони вводили невелику частку саморухомих, або активних, частинок в інакше пасивне аморфне тверде тіло.
Такі частинки постійно чинять силу на оточення й рухаються в певному напрямку, який через характерний інтервал часу змінюється. У реальних системах їхніми аналогами можуть бути мікроорганізми, колоїдні частинки з хімічним «двигуном» або синтетичні частинки, які активуються світлом чи реакціями.
У моделі ці частинки не діяли як просте випадкове «підігрівання». Їхній рух задавав спрямовані сили, що взаємодіяли з внутрішніми перебудовами структури скла й вводили в матеріал нову внутрішню часову шкалу.
За відповідних умов активні частинки не послаблювали скло, як можна було б очікувати, а змінювали форму його кривої «напруження–деформація». Для звичайного крихкого скла напруження зростає до різкого максимуму, після якого слідує обрив, пов’язаний із формуванням домінантної зсувної смуги.
Коли активність була короткоживучою й напрямок руху швидко перенаправлявся, модельна крива ставала більш згладженою. Матеріал довше залишався здатним нести навантаження, демонстрував вищу межу текучості й розслаблювався через послідовність розподілених перебудов. Руйнування не зникало, але змінювався його сценарій: замість однієї катастрофічної площини виникала множина менших смуг, які поступово формувалися, взаємодіяли та з’єднувалися по всьому зразку.
Ключова роль часу наполегливості руху
Виявлений механізм сильно залежить від так званого часу наполегливості активного руху — проміжку, протягом якого активна частинка штовхає приблизно в одному напрямку, перш ніж переорієнтуватися.
Якщо цей час короткий, частинка багаторазово тисне на «клітку» з сусідів, але не проходить достатньо далеко, щоб вирватися. Її траєкторія нагадує метушливе тремтіння в переповненому середовищі. Такі локальні флуктуації сил порушують умови для безперервного росту однієї зсувної смуги й сприяють появі деформації в різних точках. По суті, активні частинки «розмазують» пошкодження, не даючи йому зосередитися в одному смертельному каналі. При цьому скло зберігає високу стабільність, але руйнується в більш пластичному режимі.
Ті самі частинки можуть діяти протилежно, якщо їхній час наполегливості стає великим. Коли частинка довго штовхає в одному напрямку, вона здатна прорватися через свою локальну «клітку» та зумовити більшу перебудову. У цьому разі вона не лише локально збурює структуру, а й сприяє тривалішому плину. Такий режим робить матеріал легшим для деформації та може нівелювати виграш від початкової стабільності.
Отже, моделювання виявило немонотонну роль активності: слабка, швидко змінна пропульсія може зміцнювати та «загартовувати» відповідь матеріалу, тоді як стійка, тривала пропульсія підвищує рухливість і полегшує текучість. Визначальним є не просто величина активної сили, а її часовий профіль відносно внутрішньої динаміки структури.
Як активність і зовнішнє навантаження взаємодіють
Дослідники також показали, що цей часовий фактор створює певну еквівалентність між зовнішнім зсувом і внутрішньою активністю. Швидко деформоване скло зазнає сильного «поштовху» до перебудови, тоді як повільно зсувне має більше часу для релаксації між кроками деформації.
Активність може компенсувати ці відмінності. У моделюванні швидко зсувне скло зі слабкою активністю інколи поводилося схоже на повільно деформоване скло із сильнішою активністю. Це відображає конкуренцію трьох часових масштабів: зовнішнього зсуву, часу наполегливості активних частинок і часу, потрібного для проростання зсувної смуги крізь матеріал. Якщо перемагає проростання, деформація локалізується. Якщо ж активність і зовнішній зсув заважають цьому, напруження розподіляється між багатьма смугами.
Подібний ефект виявили й у симуляціях повзучості, коли до зразка прикладають постійне напруження й відстежують накопичену деформацію в часі. За відповідних параметрів зростання активності відкладало початок сталого плину й зменшувало швидкість повзучості. Це важливо, адже повільне руйнування через повзучість може бути не менш небезпечним, ніж раптовий злам.
Від чисельних моделей до реальних матеріалів
Результати можуть виявитися актуальними для густих колоїдів, м’яких композитів, активних суспензій і зрештою для біологічних тканин, які використовують внутрішню активність, щоб реагувати на механічний стрес. Наразі дослідження має теоретико-обчислювальний характер, тож наступний виклик — експериментальна перевірка.
Перспективним полігоном можуть стати колоїдні системи з фотокерованими активними частинками, для яких світло задає інтенсивність пропульсії та час наполегливості. Нині такі методи легше реалізувати в гелях і суспензіях, ніж у щільних твердих стеклах, але вдалі експерименти підтвердили б ідею «активного легування» як новий спосіб розділити міцність і крихкість.
У більш широкому сенсі робота натякає, що руйнування безладних твердих тіл може визначатися не лише статичною структурою чи історією підготовки, а й керованим внутрішнім рухом. Додаючи частинки, які самі штовхають, зупиняються й змінюють напрямок, вчені окреслили можливий шлях до матеріалів, що витримують великі навантаження, але ламаються менш катастрофічно.