Heures supplémentaires, lorsqu'un verre métallique est sollicité, ses atomes se déplaceront, glisser et finalement former des bandes qui laissent le matériau plus sujet à la rupture. Les scientifiques de l'Université Rice ont développé de nouvelles méthodes de calcul basées sur une théorie générale des verres pour expliquer pourquoi.

Un nouveau papier dans le Actes de l'Académie nationale des sciences par le physicien de Rice Peter Wolynes et l'ancien étudiant diplômé Apiwat Wisitsorasak jette une base pour calculer comment tous les types de verre se transforment au fil du temps lorsqu'ils sont soumis à des contraintes mécaniques. Leurs formules pourraient aider les scientifiques et les fabricants à améliorer le verre pour des applications spécifiques.

Les verres métalliques sont des alliages qui ont une structure désordonnée semblable au verre plutôt que les structures polycristallines des métaux familiers. Ils peuvent être à la fois cassants et ductiles à des degrés divers et peuvent être transformés en formes complexes, comme les chefs de clubs de golf. Contrairement au verre à vitre, ils sont conducteurs et peuvent être utiles pour l'électronique.

Extérieurement, le verre peut sembler solide, mais le réseau aléatoire de molécules à l'intérieur est toujours en mouvement, dit Wolyne. On sait depuis des décennies qu'en cas de stress, les verres formeront des bandes de cisaillement, lignes qui localisent la déformation. De nombreuses idées ont été avancées sur la façon dont cela se produit, mais maintenant, le groupe Rice peut expliquer le phénomène en utilisant une théorie générale de la formation des verres basée sur les paysages énergétiques.

Wolynes a poursuivi son étude de longue date sur les propriétés moléculaires du verre au Rice's Center for Theoretical Biological Physics (CTBP), où il développe également la physique des paysages énergétiques pour le repliement des protéines et de l'ADN. Sa motivation pour ce nouveau travail était de voir si la formation de bandes de cisaillement pouvait être expliquée par des calculs décrivant comment la contrainte modifie le taux de réarrangement atomique dans le verre.

"Mon intérêt immédiat est de montrer que ce phénomène des bandes de cisaillement, ce qui est notable dans les matériaux métalliques, peut être compris comme faisant partie de la théorie unifiée des verres, " dit-il. Cette théorie, formé au fil des décennies par Wolynes et ses collègues, décrit de nombreux aspects de la formation des verres lorsqu'un liquide est refroidi.

Il a déclaré que deux facteurs incitent à la formation de bandes de cisaillement dans les verres métalliques. "L'une est que lorsque le verre est formé, c'est un peu plus faible à certains endroits que d'autres. À cet égard, les bandes sont en partie programmées dans le verre.

"L'autre facteur est l'élément d'aléatoire, " a-t-il dit. " Toutes les réactions chimiques nécessitent de concentrer l'énergie dans un mode de mouvement particulier, mais le mouvement dans le verre est particulièrement complexe, vous devez donc attendre qu'un événement d'activation se produise par hasard. Vous avez besoin d'une sorte d'événement de nucléation."

Ces "événements d'activation apparemment aléatoires, " les couplages moléculaires qui se produisent naturellement lorsqu'un liquide surfondu s'écoule, deviennent rares lorsque le verre prend sa forme mais s'intensifient lorsque le verre est sollicité. Les événements déclenchent le mouvement coopératif des molécules adjacentes et aboutissent finalement à des bandes de cisaillement.

Les bandes, les chercheurs ont écrit, marquer les régions de grande mobilité et où une cristallisation locale peut se produire et montrer où le verre pourrait finalement échouer.

Wolynes a déclaré que la théorie de la transition aléatoire du premier ordre permet aux scientifiques de « dire des choses sur les statistiques de ces événements, leur taille et les régions concernées, sans avoir à simuler un événement complet en utilisant la simulation de dynamique moléculaire.

"Cela ouvre la possibilité de faire des calculs réalistes sur la résistance du verre et, certainement, verres métalliques. On pourrait également ajouter les caractéristiques de cristallisation et de fractures au modèle, qui intéresserait les scientifiques des matériaux travaillant sur des applications pratiques, " il a dit.

Wolynes et Wisitsorasak ont ​​testé leurs idées sur un modèle informatique bidimensionnel de Vitreloy 1, un verre métallique développé au California Institute of Technology qui "gèle" à sa température de transition vitreuse de 661 degrés Fahrenheit.

Les chercheurs ont mis le modèle sous tension, réduit les mois nécessaires à une étude pratique en secondes et observé le matériau former des bandes de cisaillement précisément telles qu'elles sont vues par les laboratoires et conformément à la théorie établie, dit Wolyne.

Les modèles informatiques sont la voie à suivre pour de telles études, il a dit, parce que les expériences de laboratoire peuvent prendre des mois ou des années pour porter leurs fruits. "Notre travail ouvre la voie à une nouvelle façon de modéliser les propriétés mécaniques des matériaux vitreux qui s'écoulent, ainsi que ce phénomène étrange où l'effet que vous voyez est macroscopique, mais c'est en fait causé par des événements à l'échelle nanométrique, " il a dit.