美国科学家模拟出梦想中的"理想玻璃"，其机械性能堪比晶体

新模拟创造出理想玻璃，有助于解释无序材料如何成为稳定的固体。

科学家们首次创建了"理想玻璃"的计算机模型，这是一种自20世纪中叶以来物理学家一直在追寻的理论材料。

这项突破有助于研究人员更好地理解无序材料的行为，并可能为设计更强、更多功能的工业材料提供指导。

这项工作由俄勒冈大学的物理学家埃里克·科温领导。通过使用先进的计算建模，他的团队构建了一种结构，其中的分子在保持无定形（即缺乏晶体典型的有序模式）的同时，实现了尽可能紧密和稳定的堆积。

玻璃之所以特殊，是因为尽管其分子排列随机，但其行为却像固体一样。

这种令人费解的行为长期以来引发了一个问题：没有规则分子结构的材料如何能保持机械稳定性。

科温表示，在分子水平上，与晶体相比，玻璃看起来是无序的。

"如果你在分子水平上观察玻璃，你会看到分子是无序排列的，"科温说。"它们有点随机。它们都彼此挤压在一起，但没有结构。"

追寻理想玻璃

物理学家们长期以来一直怀疑可能存在一种"理想玻璃"状态。这个想法是由普林斯顿大学的化学家沃尔特·考兹曼于1948年提出的，他推测，将玻璃充分冷却，最终可能会产生一种完美稳定的无定形结构，其中的分子被尽可能紧密地堆积。

这种状态从未在自然界中被观察到，这使得科学家们没有真实例子可供研究。科温的团队决定通过数学建模来解决这个问题，而不是等待自然界产生一个。

"我们想，也许我们可以直接跳到那一步，"科温说。"我们可以构建出可能的最佳结构。"

为此，研究人员从一个简化的系统开始，其中分子被表示为圆形圆盘。

他们从二维晶体的结构中汲取灵感，在二维晶体中，每个圆盘被六个相邻的圆盘包围，排列成重复的蜂窝状图案。

然而，该团队并没有保持晶体有序性，而是开发了一种方法，在去除晶体的重复结构的同时，保持圆盘的紧密堆积。

无定形却拥有晶体的强度

结果产生了一种完全无序但在机械性能上却类似晶体的构型。据研究人员称，这种结构代表了该类系统可能达到的最致密排列。

通过测试模拟材料对压力、弯曲和熔化的反应，团队证实了其行为。这些测试表明，尽管缺乏有序结构，但该模型表现出的机械稳定性可与晶体材料相媲美。

"结论是，我们的结构在机械性能上与晶体完全相同，尽管它是完全无定形的，"科温说。理解这种状态有助于研究人员更好地理解玻璃化转变，即液体在不形成晶体的情况下变成刚性玻璃的过程。

这项工作也可能对先进材料（如金属玻璃）产生影响，金属玻璃结合了金属的强度和类玻璃结构的柔韧性。

金属玻璃以其强度和抗变形能力而闻名，但它们难以制造，因为它们必须从液态极快地冷却下来。

"如果我们能对玻璃化转变有更深入的了解，并理解是什么因素让某种合金更适合或更不适合形成金属玻璃，我们就能设计出可以慢得多冷却的合金，"科温说。

他补充说，改进的材料可能会改变制造业。"你可以模铸汽车发动机，你可以模铸喷气式战斗机。这将是革命性的。"

研究人员计划将其工作扩展到二维模拟之外，以探索三维系统中的理想玻璃结构。

该研究结果发表在《物理评论快报》期刊上。

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