Технології

Розкрито секрет фантастичної міцності скла

Дивно, але тверде скло насправді набагато більш жорстке і міцне, ніж повинно бути технічно, якщо розглядати його молекулярний склад. Але чому?

Вчені наблизилися до розгадки того, чому скло суперечить багатьом законам фізики і має низку унікальних властивостей.

Image by Pixabay

За допомогою нової комп’ютерної моделі дослідники вирішили з’ясувати, як атомні частки скла утримують його воєдино, незважаючи на відсутність традиційно впорядкованої структури. Нове дослідження показало, що насправді частки, складники скла, можуть сформувати міцний каркас ще до того, як речовина повністю охолоне.

Розрахунки показали, що каркас частинок, які сприймають деформації всередині вузького скла, успішно відповідає порогу перколяції — точці, в якій ця «сітка» з частинок стає досить щільною, щоб підтримувати матеріал і зберігати його міцність.

Коли гранульований матеріал стискається так сильно, що він утворює тверде тіло (уявіть, наприклад, ущільнення піщинок в породу), дослідники описують отримане тверде тіло як «заблокування систему». Ці системи мають деяку схожість з тим, що відбувається в системі охолодження скла, і для порівняння цього стану команда вдалася до допомоги комп’ютерного моделювання.

«При нульовій температурі заблокована система буде демонструвати кореляції напруги через особливості свого складу. Виявилося, що той же принцип вірний і для скла, навіть до того, як воно повністю охолоне і затвердіє », — розповів фізик Хуа Тонг з Шанхайського університету Цзяо Тонг в Китаї.

Скло є частиною групи аморфних твердих тіл, у яких відсутні нормальний порядок і структура решітки молекул, які зустрічаються в кристалах. І це незважаючи на те, що ці тіла настільки ж міцні, як і кристали, у своїй охолодженій формі.

Замість чіткої структури лише невелика частина всіх частинок сприймає напруга посеред загального хаосу і безладу з мікроскопічної точки зору. Проте, ці частинки повинні спочатку поширитися по всьому матеріалу. Нова робота пояснює, як відбувається цей процес, коли матеріал зазнає затвердіння після плавлення.

Вчені пояснюють, що частинки всередині сітки повинні бути пов’язані як мінімум двома міцними зв’язками. Лише так може вийти сітка, яка пов’язує всю систему разом, навіть якщо більша частина молекулярної структури все ще невпорядкована.

Скло — один з найцікавіших матеріалів для вивчення, не в останню чергу тому, що воно сильно змінюється в залежності від ступеня нагріву і охолодження. При дуже низьких температурах воно навіть переходить в особливий, новий стан речовини.

«Наші відкриття можуть відкрити шлях до кращого розуміння аморфних твердих тіл з механічної точки зору», — пишуть вчені. На практиці це означає, що в майбутньому нас чекає поява нового покоління надміцного скла, яке можна буде застосовувати навіть в екстремальних умовах, наприклад в далеких космічних подорожах.

Натхнення: www.popmech.ru

Кнопка «Наверх»