Instantanés des champs de douceur et des arrangements de particules pour la simulation du pilier oligomère et l'expérience du pilier granulaire, deux des systèmes étudiés dans le document. Crédit :Université de Pennsylvanie
Faire tomber un smartphone sur son écran en verre, qui est fait d'atomes coincés sans ordre discernable, pourrait le faire éclater. Contrairement aux métaux et autres matériaux cristallins, le verre et de nombreux autres solides désordonnés ne peuvent pas être déformés de manière significative avant de se rompre et, à cause de leur manque d'ordre cristallin, il est difficile de prédire quels atomes changeraient lors d'une défaillance.
« Pour comprendre comment un système choisit son scénario de réarrangement, " a déclaré Douglas Durian, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de Pennsylvanie, "nous devons établir une connexion avec la structure microscopique sous-jacente. Pour les cristaux, c'est facile; les réarrangements sont au niveau des défauts topologiques tels que les dislocations. Pour les solides désordonnés, c'est un problème très difficile vieux de 40 ans que nous résolvons maintenant :qu'est-ce et où sont les défauts structurels dans quelque chose qui est désordonné ? »
Pour trouver un lien entre des matériaux désordonnés apparemment disparates, une collaboration interdisciplinaire entre les chercheurs de Penn de la School of Arts and Sciences et de la School of Engineering and Applied Science avec une expertise dans divers matériaux a étudié une gamme sans précédent de solides désordonnés avec des particules constitutives allant des atomes individuels aux roches fluviales. Comprendre la défaillance des matériaux à un niveau fondamental pourrait ouvrir la voie à la conception de verres plus résistants aux bris ou à la prédiction de phénomènes géologiques tels que les glissements de terrain.
Dans un article publié en Science , les chercheurs de Penn ont révélé des points communs entre ces systèmes désordonnés, définissant une contrepartie aux "défauts" impliqués dans la rupture des matériaux cristallins. Cette soi-disant "douceur" dans les systèmes désordonnés prédit la localisation des défauts, qui sont la collection de particules les plus susceptibles de changer lorsque le matériau échoue.
Les chercheurs ont utilisé une technique développée par Durian avec Penn Ph.D. diplômé Samuel Schoenholz, et doctorat de l'Université Harvard. diplômé Ekin Dogus Cubuk, tous deux actuellement chez Google Brain ; Andrea Liu, Hepburn professeur de physique à la Penn's School of Arts and Sciences; et Efthimios Kaxiras, John Hasbrouck Van Vleck Professeur de physique pure et appliquée, École d'ingénierie et de sciences appliquées de Harvard. Liu et Daniel Gianola, puis professeur à la Penn's School of Engineering and Applied Science Department of Materials Science and Engineering et maintenant à l'Université de Californie, Santa Barbara, dirigé l'étude. Daniel Strickland et Robert Ivancic, tous deux étudiants diplômés de Penn, sont les premiers auteurs, avec Cubuk et Schoenholz.
L'article est l'aboutissement d'années de recherche menées au Centre de recherche scientifique et technique sur les matériaux de Penn (MRSEC), hébergé par le Laboratoire de recherche sur la structure de la matière. Liu et Robert Carpick, John Henry Towne, professeur et titulaire de la chaire de génie mécanique et de mécanique appliquée à Penn, était co-responsable du groupe de recherche intégré du MRSEC axé sur la mécanique des emballages désordonnés.
Une dizaine de professeurs du groupe, avec les étudiants et chercheurs postdoctoraux de leurs laboratoires, contribué à l'étude, fournir des données de 15 simulations et expériences sur différents types de systèmes désordonnés. Les particules dans ces systèmes variaient en taille, des atomes de carbone qui composent les revêtements de moteur résistants à l'usure aux sphères en plastique de la taille d'un centimètre dans un lit de rivière modèle.
En utilisant l'apprentissage automatique, les chercheurs ont collecté des centaines de quantités qui caractérisent les arrangements de particules dans chaque système, des quantités qui, individuellement, ne devraient pas révéler grand-chose. Surtout, ils ont trouvé la combinaison de ces quantités qui est fortement corrélée avec la dynamique. Cela a produit une propriété structurelle microscopique appelée douceur. Si la douceur est connue, le comportement du matériau désordonné et la probabilité de réarrangement de ses particules constituantes peuvent être prédits.
Une image du système granulaire 2D présenté dans l'étude. Le bleu montre les régions surchargées, le vert montre sous les régions emballées et le rouge montre une bande de cisaillement transitoire du type que les chercheurs essaient de comprendre. Crédit :Université de Pennsylvanie
Les systèmes que les chercheurs ont étudiés se réorganisaient en raison de fluctuations thermiques aléatoires ou de différents types de contraintes appliquées telles que la compression ou l'étirement. Dans tous les cas, la technique a bien fonctionné, et les chercheurs ont pu prédire avec une grande précision la probabilité que les systèmes se réorganisent.
Les chercheurs ont ensuite comparé les propriétés entre les systèmes. Ils ont constaté que l'échelle de longueur sur laquelle la douceur était corrélée était identique à la taille des réarrangements, ou le nombre de particules qui se déplacent en cas de défaillance. Remarquablement, ils ont constaté que ce nombre est presque identique dans tous ces systèmes, quelle que soit la taille des particules et la façon dont elles interagissent.
"Les gens parlent de ce qui définit la taille des réarrangements localisés dans les solides désordonnés depuis 40 ans, " a déclaré Liu. " Ils ont spéculé sur des défauts localisés qu'ils ont appelés zones de transformation de cisaillement dans des systèmes désordonnés où des réarrangements sont susceptibles de se produire, mais personne n'avait vu cela directement. Ils ne pouvaient pas prédire à l'avance où des réarrangements seraient susceptibles de se produire. Avec l'apprentissage automatique, nous disons, « Entraînons le système. Regardons les réarrangements et les structures et voyons si nous pouvons comprendre ce qui est important et ensuite l'utiliser.' C'est conceptuellement très simple, mais il s'avère être très puissant."
Les chercheurs ont également mesuré la contrainte de rendement, ou combien le solide peut être déformé avant qu'il ne commence à se déformer plastiquement. Ils ont également constaté que la contrainte d'écoulement est approximativement la même pour tous les solides désordonnés sur des systèmes couvrant 13 ordres de grandeur dans leur rigidité mécanique. Par comparaison, les contraintes d'écoulement pour différents matériaux cristallins peuvent varier d'une centaine ou d'un millier.
Maintenant que les chercheurs ont montré que, jusqu'à et autour du moment où le stress est appliqué, tous ces systèmes se ressemblent, la prochaine étape de l'effort est co-dirigée par Durian et Paulo Arratia, professeur de génie mécanique et de mécanique appliquée à l'École d'ingénierie et des sciences appliquées. Leur objectif est d'aller au-delà du rendement, où tout devient chaos et les systèmes commencent à être extrêmement différents. Certains systèmes se fracturent, d'autres montrent des bandes de cisaillement et d'autres, comme des mousses, peut couler en douceur pour toujours.
"Quand un réarrangement se produit, les douceurs des particules voisines changent toutes, " Durian a dit, "mais, grâce aux accouplements élastiques à longue portée, les douceurs des particules, même assez lointaines, comme l'illustrent ces données. Ainsi, un réarrangement a un effet non négligeable sur l'endroit où les prochains réarrangements sont susceptibles de se produire. En particulier, les réarrangements à proximité seront-ils encouragés et favoriseront-ils ainsi le cisaillement, ou seront-ils découragés et favoriseront-ils ainsi la ténacité ? Nous pensons que comprendre et finalement contrôler l'interaction complexe entre les réarrangements, stress, et la structure - ici quantifiée par la douceur - est la clé pour améliorer la ténacité."
Si les chercheurs peuvent comprendre pourquoi différents systèmes se comportent différemment au-delà du rendement, ils peuvent être capables de contrôler la douceur et son évolution lorsqu'elle est soumise à un stress. Cela pourrait conduire à des revêtements et des matériaux plus durs, tels que des écrans en verre plus durables pour les téléphones.
« Les solides désordonnés ont beaucoup de grandes propriétés, " Liu a dit. " Vous pouvez les mouler dans n'importe quelle forme que vous voulez ou créer des surfaces qui sont atomiquement lisses, ce que vous ne pouvez pas vraiment faire avec les systèmes cristallins. Mais ils ont tendance à se briser facilement. Si nous pouvons comprendre ce qui contrôle cela et comment l'empêcher, alors les concepts commencent à avoir des applications réelles. Dans un cas idéal, nous voulons développer de nouveaux, des matériaux plus résistants qui ne sont pas aussi cassants ou qui ne se désagrègent pas de manière aussi catastrophique."
