Si deja caer un teléfono inteligente en su pantalla de vidrio, que está hecha de átomos atascados sin un orden discernible, podría romperse. A diferencia de los metales y otros materiales cristalinos, el vidrio y muchos otros sólidos desordenados no pueden deformarse significativamente antes de fallar y, porquede su falta de orden cristalino, es difícil predecir qué átomos cambiarían durante la falla.
"Para comprender cómo un sistema elige su escenario de reordenamiento", dijo Douglas Durian, profesor de física y astronomía en la Universidad de Pensilvania, "debemos conectarnos con la estructura microscópica subyacente. Para los cristales, es fácil; los reordenamientos sonen defectos topológicos como dislocaciones. Para los sólidos desordenados, es un problema muy difícil de 40 años que ahora estamos resolviendo: ¿qué y dónde están los defectos estructurales en algo que está desordenado? "
Para encontrar un vínculo entre materiales desordenados aparentemente dispares, una colaboración interdisciplinaria entre los investigadores de Penn en la Escuela de Artes y Ciencias y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas con experiencia en varios materiales estudió una gama sin precedentes de sólidos desordenados con partículas constituyentes que van desdeátomos individuales a rocas de río. Comprender la falla de los materiales en un nivel fundamental podría allanar el camino para diseñar vidrios más resistentes a la rotura o predecir fenómenos geológicos como deslizamientos de tierra.
en un artículo publicado en ciencia , los investigadores de Penn revelaron puntos en común entre estos sistemas desordenados, definiendo una contraparte de los "defectos" implicados en la falla de los materiales cristalinos. Esta llamada "suavidad" en los sistemas desordenados predice la ubicación de los defectos, que son la colección de partículas másEs probable que cambie cuando el material falla.
Los investigadores utilizaron una técnica desarrollada por Durian con el egresado del doctorado Penn Samuel Schoenholz, y el doctorado de la Universidad de Harvard Ekin Dogus Cubuk, ambos actualmente en Google Brain; Andrea Liu, profesora de física de Hepburn en la Facultad de Artes de Penny Ciencias, y Efthimios Kaxiras, John Hasbrouck Van Vleck, Profesor de Física Pura y Aplicada, Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard, Liu y Daniel Gianola, entonces profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn y ahoraen la Universidad de California, Santa Bárbara, dirigió el estudio. Daniel Strickland y Robert Ivancic, ambos estudiantes graduados en Penn, son los primeros autores, junto con Cubuk y Schoenholz.
El documento es la culminación de años de investigación llevada a cabo en el Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de Penn MRSEC que está alojado en el Laboratorio de Investigación sobre la Estructura de la Materia. Liu y Robert Carpick, Profesor John Henry Towne y presidente de MecánicaIngeniería y Mecánica Aplicada en Penn fueron co-líderes del grupo de investigación integrado del MRSEC enfocado en la mecánica de empaques desordenados.
Una docena de miembros de la facultad del grupo, junto con estudiantes e investigadores postdoctorales de sus laboratorios, contribuyeron al estudio, proporcionando datos de 15 simulaciones y experimentos en diferentes tipos de sistemas desordenados. Las partículas en esos sistemas variaron en tamaño desde los átomos de carbonoque conforman revestimientos de motor resistentes al desgaste en esferas de plástico del tamaño de un centímetro en un lecho de río modelo.
Utilizando el aprendizaje automático, los investigadores recolectaron cientos de cantidades que caracterizan los arreglos de partículas en cada sistema, cantidades que individualmente no se espera que revelen mucho. Lo importante es que encontraron la combinación de estas cantidades que se correlaciona fuertemente con la dinámica. Estoprodujo una propiedad estructural microscópica llamada suavidad. Si se conoce la suavidad, se puede predecir el comportamiento del material desordenado y la probabilidad de que sus partículas constituyentes se reorganicen.
Los sistemas que los investigadores estudiaron se reorganizaron debido a fluctuaciones térmicas aleatorias o a diferentes tipos de estrés aplicado, como apretar o estirar. En todos los casos, la técnica funcionó bien y los investigadores pudieron predecir con alta precisión la probabilidad de quelos sistemas se reorganizarían.
Luego, los investigadores compararon las propiedades entre los sistemas. Descubrieron que la escala de longitud sobre la cual se correlacionaba la suavidad era idéntica al tamaño de los reordenamientos, o al número de partículas que se mueven cuando ocurre la falla. Notablemente, encontraron que este número es casi idénticoen todos estos sistemas, independientemente del tamaño de las partículas y de cómo interactúan.
"La gente ha estado hablando sobre lo que establece el tamaño de los reordenamientos localizados en sólidos desordenados durante 40 años", dijo Liu. "Especulaban sobre defectos localizados que llamaron zonas de transformación de corte en sistemas desordenados donde es probable que ocurran reordenamientos, pero nouno lo había visto directamente. No podían predecir con anticipación dónde ocurrirían los reordenamientos. Con el aprendizaje automático, estamos diciendo: 'Entrenemos el sistema. Miremos los reordenamientos y las estructuras y veamos sipuede darse cuenta de lo que es importante y luego usarlo. 'Conceptualmente es muy sencillo, pero resulta ser muy poderoso ".
Los investigadores también midieron la deformación del rendimiento, o cuánto se puede deformar el sólido antes de que comience a deformarse plásticamente. También encontraron que la deformación del rendimiento es aproximadamente la misma para todos los sólidos desordenados en sistemas que abarcan 13 órdenes de magnitud en su mecánicarigidez. En comparación, las cepas de rendimiento para diferentes materiales cristalinos pueden variar en cien o mil veces.
Ahora que los investigadores han demostrado que, hasta el momento en que se aplica el estrés, todos estos sistemas se ven iguales, el siguiente paso del esfuerzo es codirigido por Durian y Paulo Arratia, profesor de ingeniería mecánica y mecánica aplicada enla Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. Su objetivo es ir más allá del rendimiento, donde todo se convierte en caos y los sistemas comienzan a verse extremadamente diferentes. Algunos sistemas se fracturan, otros muestran bandas de corte y otros, como las espumas, pueden fluir sin problemas para siempre.
"Cuando ocurre una reorganización, las suavidades de las partículas cercanas cambian", dijo Durian, "pero, debido a los acoplamientos elásticos de largo alcance, también pueden hacerlo las suavidades de las partículas incluso muy lejos, como lo ilustran estos datos. Así, un reordenamiento tiene un efecto no trivial sobre dónde es probable que ocurran los próximos reordenamientos. En particular, ¿se alentarán los reordenamientos cercanos y, por lo tanto, promoverán las bandas de corte, o se desanimarán y, por lo tanto, promoverán la dureza? Creemos que entender y controlar el complejola interacción entre reordenamientos, tensiones y estructuras, aquí cuantificada por la suavidad, es la clave para mejorar la resistencia ".
Si los investigadores pueden entender por qué los diferentes sistemas se comportan de manera diferente más allá del rendimiento, pueden controlar la suavidad y cómo evoluciona cuando está bajo tensión. Esto podría conducir a recubrimientos y materiales más resistentes, como pantallas de vidrio más duraderas para teléfonos.
"Los sólidos desordenados tienen muchas propiedades excelentes", dijo Liu. "Puede moldearlos en cualquier forma que desee o crear superficies que sean atómicamente lisas, lo que realmente no puede hacer con los sistemas cristalinos. Pero tienden a rompersefácilmente. Si podemos entender qué controla eso y cómo prevenirlo, entonces los conceptos comienzan a tener aplicaciones reales. En un caso ideal, queremos desarrollar materiales nuevos y más resistentes que no sean tan frágiles o no se desmoronen comocatastróficamente "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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