Glas klar: Neuer Ansatz prognostiziert Glas‘ immer weiter entwickelnden Verhaltensweisen bei verschiedenen Temperaturen

Nicht alles über Glas ist klar. Wie seine Atome angeordnet sind, und Verhalten sich, insbesondere, ist erstaunlich deckend ist.

Das problem ist, dass Glas ist ein amorpher Feststoff, eine Klasse von Materialien liegt, die in das geheimnisvolle Reich zwischen Feststoff und Flüssigkeit. Glasartigen Materialien umfassen Polymere oder Häufig verwendeter Kunststoff. Zwar könnte es scheinen, als stabil und statisch, Glas‘ – Atome sind ständig mischen in einem frustrierend vergeblichen Suche nach Gleichgewicht. Dieser hinterhältig Verhalten hat die Physik des Glases fast unmöglich für die Forscher zu fassen.

Jetzt ein multi-institutional-team einschließlich der Northwestern University, North Dakota State University und des National Institute of Standards and Technology (NIST) entwickelt, ein Algorithmus mit dem Ziel des Gebens Polymeren Brille ein wenig mehr Klarheit. Der Algorithmus macht es möglich für Forscher zu schaffen, coarse-grained Modelle zu entwerfen, die Materialien mit dynamischen Eigenschaften und Vorhersagen, Ihre ständig wechselnden Verhaltensweisen. Sogenannte „Energie-renormierung-Algorithmus,“ es ist das erste, um genau vorherzusagen, Glas‘ mechanische Verhalten bei unterschiedlichen Temperaturen und kann dazu führen, die schnelle Entdeckung von neuen Materialien, entwickelt mit optimalen Eigenschaften.

„Der aktuelle Prozess der Materialien-Ermittlung kann Jahrzehnte dauern“, sagte der Northwestern ‚ s Sinan Keten, die co-Leitung der Forschung. „Unser Ansatz Skalen molekularen Simulationen bis etwa tausendmal so können wir design-Material schneller und untersuchen Ihr Verhalten.“

„Obwohl glasartigen Materialien sind alle um uns herum, die Wissenschaftler immer noch kämpfen, um zu verstehen, Ihre Eigenschaften, wie Fluidität und diffusion als Temperatur oder der Zusammensetzung variieren,“ sagte Jack F. Douglas, ein NIST-research fellow, co-führte die Arbeit mit Keten. „Dieser Mangel an Verständnis ist eine ernste Beschränkung, in der das rationale design von neuen Materialien.“

Die kürzlich veröffentlichte Studie in der Zeitschrift Science Fortschritte. Wenjie Xia, ein Assistent professor für civil and environmental engineering an der North Dakota State University, war das Papier der erste Autor.

Glas‘ seltsames Verhalten ergibt sich aus der Art, wie es gemacht wird. Es beginnt wie eine heiße pool von geschmolzenes material, das wird dann schnell abgekühlt. Obwohl das endgültige material erreichen will, das Gleichgewicht in einem gekühlten Zustand ist es sehr anfällig gegenüber wechselnden Temperaturen. Wenn das material erhitzt wird, werden die mechanischen Eigenschaften drastisch ändern können. Dies macht es schwierig für Forscher, die die effiziente Vorhersage der mechanischen Eigenschaften von vorhandenen molekularen Simulationstechniken.

„So einfach wie Glas aussieht, ist es ein sehr seltsames material,“ sagte Keten, associate professor für Maschinenbau und Bauingenieurwesen und Umwelttechnik in der Northwestern McCormick School of Engineering. „Es ist amorph und nicht ein Gleichgewicht, Struktur, so dass es ständig weiterentwickelt durch die langsamen Bewegungen seiner Moleküle. Und dann gibt es eine Menge von variation in der Sie, wie es sich je nach Temperatur und molekularen Funktionen der einzelnen glasigen material. Diese Prozesse eine sehr lange Zeit dauern, um zu berechnen, in molekularen Simulationen. Beschleunigung der Berechnungen ist nur möglich, wenn wir zuordnen können die Positionen der Moleküle zu einfacheren strukturellen Modelle.“

– Glas “ – Struktur ist im Gegensatz zu einem kristallinen Festkörper, in denen die Atome angeordnet sind, in eine geordnete, vorhersehbare und symmetrische Art und Weise. „Es ist einfach zu map-Atome in kristallinen Materialien, weil Sie einen sich wiederholenden Struktur“ Keten erklärt. „In der Erwägung, dass in ein amorphes material, ist es schwierig zum zuordnen der Struktur aufgrund der fehlenden Fernordnung.“

„Wegen der amorphen und ungeordneten Natur des Glases, seine Eigenschaften könnte mit der Temperatur variieren erheblich, so dass die Vorhersage Ihrer physikalischen Verhalten äußerst schwierig,“ Xia Hinzugefügt. „Nun, wir haben eine neue Methode gefunden, um dieses problem zu lösen.“

Um dieser Herausforderung zu begegnen, Keten, Douglas, Xia und Ihre Mitarbeiter entwickelt, deren Algorithmus um Faktor in die vielen Möglichkeiten, die Glas-Moleküle würden sich bewegen oder nicht bewegen, abhängig von unterschiedlichen Temperaturen über die Zeit. Berechnen Sie die position jedes atoms innerhalb Glas wäre mühsam langsam und langweilig-sogar für einen leistungsstarken Algorithmus, — zu berechnen. So Keten und seine Mitarbeiter verwendet „coarse-grained modeling,“ ein vereinfachter Ansatz, der sich mit Clustern von Atomen, sondern als einzelne Atome. Ihre neue Methode effizient erstellt Parameter für die Wechselwirkungen zwischen diesen gröberen Partikeln, so dass das Modell erfassen können, die dramatische Verlangsamung der Molekularbewegung, wie das glasige material kühlt sich ab.

„Wir können nicht tun, ein atom-für-atom-simulation auch für Glas-Folien von nanoskaligen Dicke denn auch das wäre zu groß“, Keten, sagte. „Das ist immer noch Millionen von Molekülen. Die coarse-grained-Modelle ermöglichen uns die Untersuchung größerer Systeme vergleichbar zu Experimenten im Labor gemacht.“

So weit, Keten und sein team haben überprüft Ihren Algorithmus gegen drei bereits gut charakterisierten und sehr unterschiedliche Arten von Polymeren glass-forming liquids. In jedem Fall ist der Algorithmus, der genau vorhersagt der bekannten dynamischen Eigenschaften über einen großen Temperaturbereich.

Die „Erklärung der Physik der Gläser ist bekanntlich eines der größten Probleme, dass die Wissenschaftler noch nicht in der Lage zu lösen,“ Keten sagte. „Wir sind näher zu verstehen, Ihr Verhalten und die Lösung der Rätsel.“