Tiempo extraordinario, cuando un vidrio metálico se somete a tensión, sus átomos cambiarán, se deslizan y finalmente forman bandas que dejan el material más propenso a romperse. Los científicos de la Universidad de Rice han desarrollado nuevos métodos computacionales basados ​​en una teoría general de las gafas para explicar por qué.

Un nuevo papel en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias por el físico Peter Wolynes de Rice y el ex estudiante de posgrado Apiwat Wisitsorasak sientan las bases para calcular cómo todos los tipos de vidrio se transforman con el tiempo cuando se someten a estrés mecánico. Sus fórmulas podrían ayudar a los científicos y fabricantes a mejorar el vidrio para aplicaciones específicas.

Los vidrios metálicos son aleaciones que tienen una estructura desordenada similar al vidrio en lugar de las estructuras policristalinas de los metales familiares. Pueden ser frágiles y dúctiles en grados y se pueden hacer en formas complejas, como las cabezas de los palos de golf. A diferencia del vidrio de la ventana, son conductores y pueden ser útiles para la electrónica.

Externamente, el vidrio puede parecer sólido, pero la matriz aleatoria de moléculas en el interior siempre se está moviendo, Dijo Wolynes. Se sabe desde hace décadas que cuando se estresa, las gafas formarán bandas de cizallamiento, líneas que localizan la tensión. Se han presentado muchas ideas sobre cómo sucede esto, pero ahora el grupo de Rice puede explicar el fenómeno utilizando una teoría general de cómo se forman las gafas basándose en paisajes energéticos.

Wolynes ha continuado su prolongado estudio de las propiedades moleculares del vidrio en el Centro de Rice de Física Biológica Teórica (CTBP), donde también desarrolla la física de paisajes energéticos para el plegamiento de proteínas y ADN. Su motivación para el nuevo trabajo fue ver si la formación de bandas de cizallamiento se podía explicar a través de cálculos que describen cómo el estrés cambia la tasa de reordenamiento atómico en el vidrio.

"Mi interés inmediato es mostrar que este fenómeno de las bandas de cizallamiento, que es algo notable en materiales metálicos, puede entenderse como parte de la teoría unificada de las gafas, ", dijo. Esa teoría, formada durante décadas por Wolynes y sus colegas, describe muchos aspectos de cómo se forman los vasos cuando se enfría un líquido.

Dijo que dos factores impulsan la formación de bandas de corte en los vidrios metálicos. "Uno es que cuando se forma el vidrio, es un poco más débil en algunos lugares que en otros. En ese sentido, las bandas están parcialmente programadas en el vidrio.

"El otro factor es el elemento aleatorio, ", dijo." Todas las reacciones químicas requieren concentrar energía en algún modo particular de movimiento, pero el movimiento en el vidrio es especialmente complejo, así que tienes que esperar a que ocurra un evento de activación por casualidad. Necesitas una especie de evento de nucleación ".

Estos "eventos de activación aparentemente aleatorios, "acoplamientos moleculares que ocurren naturalmente a medida que fluye un líquido sobreenfriado, se vuelven raros cuando el vidrio se asienta en su forma, pero aumenta cuando el vidrio está estresado. Los eventos desencadenan el movimiento cooperativo de moléculas adyacentes y eventualmente resultan en bandas de cizallamiento.

Las bandas, los investigadores escribieron, marcar las regiones de alta movilidad y donde puede ocurrir la cristalización local y mostrar dónde el vidrio podría finalmente fallar.

Wolynes dijo que la teoría de la transición aleatoria de primer orden permite a los científicos "decir cosas sobre las estadísticas de estos eventos, qué tan grandes son y las regiones involucradas, sin tener que simular un evento completo mediante simulación de dinámica molecular.

"Esto abre la posibilidad de realizar cálculos realistas sobre la resistencia del vidrio y, ciertamente, vidrios metálicos. También se podrían agregar las características de cristalización y fracturas al modelo, que sería de interés para los científicos de materiales que trabajan en aplicaciones prácticas, " él dijo.

Wolynes y Wisitsorasak probaron sus ideas en un modelo informático bidimensional de Vitreloy 1, un vidrio metálico desarrollado en el Instituto de Tecnología de California que se "congela" a su temperatura de transición vítrea de 661 grados Fahrenheit.

Los investigadores sometieron el modelo a tensión, redujo los meses necesarios para un estudio práctico en segundos y observó cómo el material formaba bandas de cizallamiento exactamente como lo ven los laboratorios y de acuerdo con la teoría establecida, Dijo Wolynes.

Los modelos informáticos son el camino a seguir para estos estudios, él dijo, porque los experimentos de laboratorio pueden tardar meses o años en dar sus frutos. "Nuestro trabajo prepara el escenario para una nueva forma de modelar las propiedades mecánicas de los materiales vítreos que fluyen, así como este extraño fenómeno donde el efecto que ves es macroscópico, pero en realidad está siendo causado por eventos a nanoescala, " él dijo.