Nueva investigación publicada en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias describe cómo las fuerzas externas impulsan el reordenamiento de partículas individuales y dan forma a estructuras de micronivel en materiales desordenados. El estudio, realizado por el estudiante de posgrado Larry Galloway, posdoctorado Xiaoguang Ma, y profesores Paulo Arratia, Douglas Jerolmack, y Arjun Yodh, proporciona nuevos conocimientos sobre cómo la estructura microscópica de desorden, Los sólidos vítreos están relacionados con factores de estrés externos y los cambios resultantes en los movimientos de las partículas individuales. Estos hallazgos proporcionan nuevos enfoques potenciales para crear materiales personalizables que tienen propiedades mecánicas únicas.

A través de la historia, la gente ha buscado formas de hacer que los materiales sean más resistentes, flexible, y duradero, ya sean espadas de acero de Damasco o caucho vulcanizado. Hoy en día, Las tecnologías de imágenes de vanguardia permiten a los científicos estudiar materiales a nivel atómico, pero incluso con esta resolución mejorada, sigue siendo un desafío estudiar los materiales cuando están sometidos a fuerzas externas. Esto dificulta el desarrollo de enfoques de diseño "de abajo hacia arriba" que puedan dotar a los materiales de propiedades mecánicas específicas.

Una clase de materiales que son particularmente desafiantes, tanto para estudiar como para manipular, es materiales desordenados. A diferencia de los materiales pedidos, que tienen estructuras cristalinas con átomos en ubicaciones predecibles bien definidas, como en una celosía de panal, los átomos en materiales desordenados están ordenados al azar, como granos en un montón de arena. Materiales desordenados, como el vidrio que se usa en las pantallas de los teléfonos inteligentes, tienen muchas propiedades útiles pero son frágiles si se caen o se aplastan.

Para comprender mejor cómo los materiales desordenados podrían modificarse de una manera que les otorgue nuevas propiedades, los investigadores los estudiaron durante la deformación plástica. Este proceso, donde el material es impulsado a fluir y los átomos, moléculas, o las partículas que componen el material pueden deslizarse fácilmente unas sobre otras, provoca reordenamientos permanentes en la estructura general del material. El objetivo de los investigadores era buscar relaciones cuantificables que conectaran la capacidad de un material para cambiar bajo la influencia del estrés externo con la forma en que las partículas individuales se reorganizan.

El equipo llevó a cabo experimentos utilizando un material desordenado "modelo" hecho de 50, 000 partículas coloidales diseñadas para imitar átomos. Los "átomos" individuales se distribuyeron finamente a través de una interfaz de agua, y los investigadores utilizaron una pequeña aguja magnética para empujar la capa de átomos con una fuerza cortante, haciéndolos fluir por caminos específicos. Usando el video recopilado durante el proceso de corte, pudieron rastrear los movimientos de los 50, 000 partículas.

Usando este conjunto de datos, los investigadores calcularon dos cantidades que resultaron ser cruciales para comprender la respuesta del sólido desordenado:exceso de entropía y tiempo de relajación. El exceso de entropía es una medida de la estructura general de la muestra que caracteriza cuán desordenado está el material. La relajación de partículas es una medida de la dinámica de respuesta de un material y caracteriza la rapidez con que las partículas individuales se mueven unas sobre otras.

"Notamos que estas dos cantidades se relacionan muy bien entre sí, "Galloway dice sobre el análisis de este conjunto de datos, que los investigadores utilizaron para cuantificar la rapidez con la que los "átomos" coloidales se mueven uno al lado del otro cuando se aplica una tensión y para comparar esa velocidad con el desorden del material final.

El concepto de exceso de entropía se había utilizado previamente para estudiar líquidos y sistemas que están en equilibrio, lo que significa que todas las fuerzas que actúan sobre un sistema están en equilibrio. El presente trabajo es el primer experimento en aplicar estas ideas a sistemas que están fuera de equilibrio, como el material desordenado que se deforma plásticamente estudiado aquí. "Descubrimos que el mismo concepto, exceso de entropía, utilizado a menudo en la teoría estándar de líquidos, podría ayudarnos a comprender cómo los sólidos se deforman plásticamente, "dice mamá.

Al cuantificar la relación entre estructura, o exceso de entropía, y dinámica, o tiempo de relajación, durante la deformación plástica, el equipo identificó una conexión entre los cambios en la ubicación de las partículas individuales y la estructura general del material. "Primero, aplicamos una tensión externa para empujar el material, "Yodh dice". Entonces, las partículas en el material material se reorganizaron y finalmente se relajaron en una nueva estructura interna. Descubrimos que cuanto más rápido se aplica esta fuerza externa, Cuanto más rápido se reorganizan las partículas y más desordenada se vuelve la estructura del material final, como se refleja en su exceso de entropía ".

Esta mejor comprensión de cómo la dinámica de un material se relaciona con su microestructura en el nivel de una sola partícula ahora puede ayudar a los científicos de materiales a comprender la "historia" de un material dado. "Si conozco la tasa de deformación plástica, entonces puedo predecir la cantidad de orden del material en su estado final. Alternativamente, si observa un material y mide su orden microestructural, entonces puedo contarte algo sobre el proceso de deformación plástica que lo llevó allí, "dice mamá.

Los investigadores ahora están planeando experimentos adicionales para calcular el exceso de entropía de manera más local y para observar sistemas que están aún más desordenados que los utilizados en este experimento. Si encuentran que los principios físicos establecidos en el presente trabajo pueden generalizarse a otro tipo de materiales, podría allanar el camino para nuevos enfoques que relacionen las mediciones a nivel atómico con propiedades mecánicas deseables. "Luego, podrías aprender a preparar un material de cierta manera, cortando más rápido o más lento, de modo que tenga una pantalla que no se rompa, "dice Arratia.