Bilim adamları, uzun vadeli ölçeklerde gizlenmiş yeni bir amorf malzeme dinamikleri modeli keşfetti
Doğadaki aşırı yavaş reolojik olayların bilgisi ve anlayışı her zaman gizemlerle doludur ve ayrıca önemli temel ve uygulamalı araştırma değerine sahiptir. Kabuk plakalarının hareketi kadar büyük, mikroskobik atomların düzensiz dizilişine sahip amorf malzeme kadar küçük, bizim tarafımızdan algılanması zor olsa da yavaş bir akış vardır. Yüz milyonlarca yıllık yavaş jeolojik akış sayesinde, üzerinde yaşadığımız istikrarlı bir kabuk ortamı oluşur. Bu tür aşırı yavaş akış, doğrudan büyük projelerin güvenliği ve jeolojik afet mekanizmasının anlaşılması ve önlenmesi ile ilgilidir. Cam gibi amorf malzemeler, genellikle sıvılara benzer bir yapıya sahip, uzun menzilli düzensiz bir düzenlemeyi koruyan ve geleneksel zaman ölçeklerinde katılar gibi davranan sıvıların hızlı soğutulmasıyla oluşturulur. Bununla birlikte, şekilsiz katının içinde yavaş reolojik davranış da meydana gelir. Ortaçağ kiliselerinin eski pencerelerinin camları, yerçekimi altındaki cam akışının neden olduğu alt kısımda her zaman üst kısımdakinden daha kalındır. Yüzlerce yıllık asfalt damlatma deneyleri, amorf asfaltın bir katı gibi görünmesine rağmen, aslında oda sıcaklığında son derece yavaş akan çok viskoz bir sıvı olduğunu kanıtlamıştır.
Atomların (veya moleküllerin) hareket davranışı, amorf malzemelerin yoğunlaşmış halini anlamak için çok önemlidir ve ayrıca amorf malzemelerin özelliklerinin, özellikle mekanik özelliklerin nasıl iyileştirileceğine rehberlik etmek için temel oluşturur. Aşırı soğutulmuş sıvıda, sıcaklık azaldıkça lokalize atomik yeniden düzenleme ( gevşeme) ve daha yavaş atomik grup hareketi ( gevşeme) arasındaki ayrılma meydana gelir ve bu gevşeme modu Ayrıştırmanın keşfi, aşırı soğutulmuş sıvıyı ve ardından oluşan cam malzemenin cam geçişini ve deformasyon davranışını anlamak için gereklidir. Cam durumunda, gevşeme son derece yavaştır (zaman ölçeği saatlerden yıllara değişir) Bu kadar büyük bir zaman ölçeğinin laboratuvarda çalışması da çok zordur.
Çin Bilimler Akademisi Fizik Enstitüsü / Pekin Ulusal Yoğun Madde Fiziği Laboratuvarı Wang Weihua araştırma grubunda doktora öğrencisi olan Luo Peng, araştırmacı Wang Weihua, yardımcı araştırmacı Wen Ping ve araştırmacı Bai Haiyang'ın rehberliğinde amorf alaşımlar (metalik cam olarak da adlandırılır) kullandı. Çok geniş bir sıcaklık ve zaman ölçeğinde sabit gerinim altında bir malzemenin gerçek zamanlı mekanik tepkisini ölçerek yavaş akış davranışını etkili bir şekilde tespit edebilen model bir sistemdir. Deneyler, daha yüksek sıcaklıklarda, stres tepkisi fonksiyonunun tekdüze ve sorunsuz bir şekilde azaldığını göstermektedir. Bununla birlikte, sıcaklık düştükçe, deneyin başlamasından yaklaşık 30 dakika sonra kademeli olarak bir omuz ortaya çıktı ve sıcaklık daha da düştükçe daha belirgin hale geldi ve iki aşamalı bir gevşeme davranışı gösterdi (Şekil 1). Karakteristik oran ve üs, gevşeme davranışını üst üste bindirilmiş genişletilmiş üstel fonksiyon ile uydurarak elde edilir (Şekil 2) .Cam geçiş sıcaklığının altında bir yerde, bariz gevşeme modu ayrışmasının meydana geldiği ve daha hızlı modun meydana geldiği görülebilir. Zayıf bir sıcaklık bağımlılığı sergiler, aktivasyon enerjisi 0.1 eV'den azdır ve gevşeme indeksi, sıcaklığın düşmesiyle kademeli olarak artar ve sonunda 1.3 ~ 1.5'te stabilize olur. Yavaş gevşeme modu büyük ölçüde sıcaklığa bağlıdır, aktivasyon enerjisi yaklaşık 52kBTg'dir ve gevşeme indeksi sıcaklık azaldıkça kademeli olarak azalır. Numune tavlandıkça ve yaşlandıkça gevşeme fonksiyonu önemli ölçüde değişir.Yavaş gevşeme modunun karakteristik oranı numunenin yaşlanmasıyla önemli ölçüde azalırken, hızlı gevşeme modu yaşlanmadan etkilenmez (Şekil 3a). Gevşeme işleminin karakteristik parametreleri, akma noktası aşılsa bile uygulanan gerinime bağlı değildir (Şekil 3b).
Cam malzeme düzensiz ve dengesiz bir durumdadır ve atomik ölçekte bir iç gerilim olması gerekir. Yukarıdaki sonuçlar, cam halinin gevşeme sürecinin iki aşamaya bölündüğünü göstermektedir: Birincisi, atom ölçeğindeki iç gerilimin tetiklediği balistik benzeri harekete karşılık gelen hızlı bir gevşeme modu meydana gelir.Bu sırada, sistem potansiyel enerji kuyusu içinde hapsedilir, ardından sistem enerji bariyerini geçer. , Atomların daha büyük ölçeklerde düzensiz dinamiklerle yeniden düzenlenmesi meydana gelir. Bu yeni dinamik model ayırmanın keşfi, insanların geleneksel cam gevşetme anlayışını genişletir ve dinamik bir perspektiften sıvıdan cama yoğunlaşma sürecini daha da geliştirir (Şekil 4): Akış, iki işlemden geçer, yani atom (veya molekül), komşu atomlarından (veya moleküllerinden) oluşan kafeste titreşir ve daha sonra uzun menzilli difüzyona neden olmak için kaçar; aşırı soğutulmuş sıvı, yeni bir gevşeme modu dekuplajı, yani ikincil potansiyel enerji olarak görünür. Tuzaklar ( gevşeme) ve potansiyel enerji tuzağı boyunca meydana gelen geri döndürülemez atomik grup hareketi ( gevşeme) arasındaki tersine çevrilebilir yerel yeniden düzenleme olayları; cam durumu gevşemesi son derece yavaştır, bu da yalnızca yerel iç gerilimin salınmasının neden olduğu balistik benzeri hareketi yapar. Artık, sonraki yavaş atomik yeniden düzenleme ile birleştirilmez, bu nedenle, ayrıştırılmış bir dinamik mod gözlenir.
Bu sonuç, yavaş akışın basit olmadığını ve düşündüğümüzden çok daha fazla içsel özellikler olduğunu, ancak bu fenomenlerin uzun vadeli ölçeğinde gizlendiğini ve keşfedilmesi zor olduğunu gösteriyor.
Bu araştırmanın sonuçları yakın zamanda Physical Review Letters'da (Physical Review Letters118, 225901 (2017)) yayınlandı ve editörün önerdiği makale olarak seçildi. American Physical Society Physics'in web sitesinde Pisa Üniversitesi'nden Profesör Simone Capaccioli ve Roma Üniversitesi'nden Profesör Giancarlo Ruocco tarafından yazılan Gevşeme Metalik Camlar için İki Adımlı Bir İşlemdir başlıklı bir inceleme (Bakış Açısı) makalesi yayınlandı. Bu iki aşamalı gevşeme fenomeninin keşfinin, amorf gevşeme ve yaşlanma arasındaki ilişkinin yoğunlaştırılmış madde sorununun çözümünü desteklediğine ve insanların sadece yetersiz anlaşılan denge dışı durumu daha kapsamlı anlamalarına yardımcı olamayacağına inanıyorlar. Cam durumu dinamik sorunları ve zengin işlevsel özelliklere ve yüksek stabiliteye sahip cam malzemelerin tasarlanmasına yardımcı olur.
Yukarıda bahsedilen araştırma çalışması, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (51571209, 51461165101), "973" projesi (2015CB856800) ve Çin Bilimler Akademisi Frontier Science Anahtar Araştırma Projesi (QYZDY-SSW-JSC017) tarafından desteklenmiştir.
Şekil 1. Üç metalik cam sisteminin farklı sıcaklıklarda gerilme gevşetme fonksiyonları, uygulanan% 0,3 gerilme gerinimiyle.
Şekil 2. Uydurma ile elde edilen gevşeme hızı (a) ve üs (b).
Şekil 3. Farklı tavlama süresi (a) ve uygulanan gerilme (b) altında gerilim gevşeme fonksiyonu.
Şekil 4. Yüksek sıcaklıktaki sıvıdan camsı yoğunlaşma sürecine kinetik modelin Arrhenius diyagramı
