Теперь у физиков в Университете Пенсильвании и Чикагском университете есть доказательства, что новое понятие должно поддержать наше понимание большинства материалов: антикристалл, теоретическое тело, которое полностью приведено в беспорядок.Их работа предполагает, что, пытаясь понять механические свойства реального материала, ученые были бы лучше обслужены во многих случаях, начав со структуры антикристалла и добавив заказ, вместо того, чтобы начать с прекрасного кристалла и добавить беспорядок. Это вызвано тем, что механические свойства даже немного беспорядочного тела могут иметь больше общего с антикристаллом, чем прекрасный кристалл.
Понимание этих свойств очень важно для моделирования, как материалы ответят на напряжение, а также для проектирования новых материалов и предсказания их поведения.Исследование, опубликованное по своей природе Физика, проводилось Андреа Лю, преподавателем физики в Школе Пенна Искусств & Наук; Карл Гудрич, аспирант в ее группе; и Сидни Нагель, преподаватель физики в Чикагском университете.«Одна из причин, идея прекрасного кристалла была так успешна за прошлые 100 лет», заявил Гудрич, «то, потому что свойства несовершенного кристалла часто очень похожи».За пределами условий, которыми чрезвычайно управляют никакой реальный кристалл не прекрасен; всегда есть места беспорядка в полном образце, которые известны как дефекты.
Однако, описывая поведение прозрачного материала, ученые начинают, рассматривая его, как будто это был прекрасный кристалл, затем экстраполирующий от того пункта на основе того, насколько распространенный его дефекты на самом деле. Знание точной формы и местоположения каждого дефекта не необходимо.«Но если Вы продолжаете добавлять беспорядок, экстраполяция от прекрасного кристалла терпит неудачу ужасно.
Механические свойства больше не могут описываться хорошо от прекрасного кристалла. Это – то, где антикристалл входит», заявил Гудрич.У непрозрачных, или аморфных, материалов могут быть регионы в них, у которых есть атомы в различных образцах повторения, но никаком всеобъемлющем заказе. Это означает, что свойства стекла или пластмассы не могут быть выведены из прекрасного кристалла, но. работание от другого конца спектра, совершенно беспорядочного тела, не было выполнимо.
Не весь беспорядок подобен; палуба карт, например, имеет один «правильный» заказ, но может быть перетасована в астрономически большое количество различных последовательностей.«В прошлое десятилетие или так», сказал Лю, «многие исследователи показали, что у всех тех различных способов быть полностью приведенными в беспорядок действительно есть что-то важным вместе, как то, как, вероятно, Вы должны потянуть определенную руку даже, учитывая все способы, которыми Вы можете перетасовать палубу карт.
«Мы теперь понимаем, что для определенного класса взаимодействий есть отправная точка для понимания, почему у различных очков есть подобные свойства», сказала она. «Это – переход фазы, который происходит, когда жидкость становится беспорядочным телом под давлением, которое мы называем ‘набивающимся битком переходом’».Переход фазы – то, что происходит, когда одно состояние вещества превращается в другого, такой как тогда, когда вода замораживается. Уменьшение в температурных средствах, что у атомов водорода и кислорода воды больше нет достаточного количества энергии заставить отскочить из шестистороннего образца их естественно, устраивается в. Не имея возможности переместиться и течь друг мимо друга, атомы водорода и кислорода кристаллизуют в твердый лед.Другой способ произвести тело, однако, зажимая частицы (такие как атомы, молекулы, или даже зерна песка) вместе, физически ограничивая их движения под высоким давлением.
«Каждый раз, когда у Вас есть критическая точка как переход фазы, изучение деталей действительно близко к тому переходу говорит Вам о том, как системы еще дальше от перехода ведут себя», заявил Гудрич.Экстраполируя далеко от набивающегося битком перехода, исследователи показали, что даже довольно организованные материалы показали поведения ближе к тем из антикристалла, чем прекрасный кристалл.«Требуется семь перетасовок, чтобы полностью рандомизировать заказанную палубу.
Но предположите, что Вы просто перетасовываете его однажды», заявил Гудрич. «Что мы говорим, то, что когда дело доходит до механического поведения материалов даже эта палуба ближе к тому, чтобы быть полностью перетасованным, чем полностью заказанный».«Пятьдесят два большое количество, думая о перестановках», сказал Лю, «но это не нигде близко к числу Авогадро и различным способам, которыми могут быть устроены все атомы в куске стекла».
Наличие лучшей отправной точки для стекла или пластмассы было бы благом и для исследования и для промышленного дизайна, но принципы антикристалла сильны, потому что они могут обеспечить понимание многих прозрачных материалов также. Создание сплавов как сталь, более прочная часто, включает создание их прозрачных образцов, меньших и меньших, означая, что их поведения лучше и лучше описаны антикристаллом.«Так же, как прекрасный кристалл очень хорошо определил свойства», сказал Лю, «антикристалл хорошо определил свойства, и мы можем думать о реальных материалах, как являющихся где-нибудь промежуточным два.
То, что мы показали, – то, что не требуется большого беспорядка, прежде чем антикристалл будет лучшей отправной точкой».Исследование было поддержано американским Министерством энергетики и Национальным научным фондом.