Une équipe dirigée par l'Université de Tokyo a développé une nouvelle méthode pour comprendre l'organisation structurelle des collections désordonnées de disques mous ou de sphères en utilisant une nouvelle approche :mettre l'accent sur les propriétés mécaniques locales qui sont fondamentalement différentes des approches précédentes des cristaux ordonnés et amorphes désordonnés solides. En particulier, les chercheurs se sont concentrés sur les emballages résultant du phénomène de « brouillage, " dans lequel une substance à écoulement libre se bouche soudainement à mesure que la densité augmente. Le travail peut aider à la conception de matériaux industriels plus efficaces qui sont moins susceptibles de se décomposer sous une charge externe.

Imaginez que vous êtes assis sur la plage en train de jouer avec les tas de sable. Mais quand vous essayez de décorer le château que vous venez de construire, vous êtes surpris de constater que seule une toute petite opération conduit à son effondrement. Dans ce cas, vous venez de découvrir la "stabilité marginale" des solides amorphes, à cause de quoi le système perd sa stabilité de manière inattendue. Alors que les solides amorphes sont omniprésents dans la nature et ont de larges applications industrielles, cela peut être un grave problème pour notre sécurité s'ils s'effondrent de manière incontrôlable. L'organisation structurale des solides amorphes, ce qui conduit à une stabilité marginale, est assez complexe et pas encore complètement compris. En réalité, la plupart des scientifiques ont l'intention de comprendre les solides amorphes en utilisant les modèles établis de cristaux ordonnés, mais le consensus n'a jamais été atteint.

"Malgré des études intensives pendant des décennies, la description unifiée des solides amorphes n'est pas encore solidement établie, " dit le premier auteur, le Dr Hua Tong.

Pour le projet en cours, les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques de disques mous ou de sphères pouvant s'écouler à faible densité, mais se coince lorsqu'il est suffisamment emballé. Leur idée clé était de déplacer l'attention de la géométrie vers l'aspect mécanique ou vibrationnel des solides amorphes. L'équipe a introduit un nouveau paramètre d'ordre qu'ils appellent « vibrabilité, " qui contrôle combien les atomes vibrent lorsqu'ils sont chauffés infiniment à partir de la température zéro. Contrairement aux phonons, qui sont des vibrations collectives dans les cristaux, la vibrabilité dans un solide amorphe dépend de l'environnement local, et varie d'un endroit à l'autre dans l'échantillon. Les chercheurs ont montré que les emplacements de haute vibrabilité correspondent à des « points faibles » désordonnés qui sont importants pour déterminer où le système peut échouer en cas de perturbations.

Les solides amorphes peuvent être trouvés sous une grande variété de formes, pourtant, ils semblent tous partager des caractéristiques importantes lorsqu'ils sont examinés. "Une observation importante des garnissages solides amorphes ou coincés est que, alors qu'ils ont des structures géométriques diverses, ils présentent des caractéristiques vibrationnelles assez universelles », explique l'auteur principal, le professeur Hajime Tanaka. « Les découvertes issues des simulations informatiques sont donc d'une importance fondamentale à la fois à des fins théoriques et applicatives.