对于如此普遍的事物,玻璃实际上是令人难以置信的谜;自从人类第一次遇到了千年前,物理学的谜团就一直没有理解。
原因是:玻璃不是普通的固体。但是它也不是液体。它介于两者之间,一种奇怪的混合动力车无定形固体- 触摸很坚定的东西,但在原子层面下降,它实际上更像是液体。
但是,由于一种新算法可以帮助预测玻璃的温度依赖性特性,科学家的突破现在可以比以往任何时候都比以往任何时候都更加接近玻璃表面的情况。
这意味着我们更接近预测眼镜在不同温度下的行为,这又可以帮助我们更快地弄清楚,更好地发现新型材料的方法,并了解整个玻璃如何以其怪异的方式存在。
“就像玻璃看起来很简单,这是一种非常奇怪的材料,”说来自西北大学的计算材料科学家Sinan Keten。
“它是无定形的,没有平衡结构,因此它的分子的缓慢运动不断发展。”
模拟CG模型系统(Wenjie Xia)的表示
由于这些分子水平的运动,玻璃永远不会形成理想状态作为固体,其中原子以有序且可预测的结构结构排列。
从理论上讲,有足够的时间,玻璃可能有一天到达那里并达到其理想的平衡状态,但要花费非常长的时间 - 科学家认为,比几个世纪更长- 由于原子过程的慢。
另一个困难是温度。玻璃- 意味着基于二氧化硅的玻璃和其他类型的无定形玻璃材料(例如聚合物)也非常容易受到温度变化的影响,这使得实现其理想化状态的可能性更大。
热是触发所谓的事物之一玻璃过渡,其中加热的无定形固体在冷却时从坚硬,玻璃状状态变为液体状,更粘的形式。
这是一个非常酷(和可逆的)技巧,但这是使不同种类的玻璃物理学难以固定的东西。
“由于玻璃的无定形性和无序性质,其特性可能会随温度而变化,从而使其身体行为的预测极为困难,”说北达科他州立大学的工程师Wenjie Xia。
“现在,我们找到了一种解决这个问题的新方法。”
材料科学的挑战之一是设计方法来模拟加热时不同种类的玻璃材料的表现。但是,由于玻璃无序和可变结构的分子复杂性,运行这些计算需要很长时间。
使用一种使用的新算法粗粒(CG)建模但是,研究人员说,他们能够加快这一过程大约一千次。
该技术通过退后一步来实现这一目标。
而不是试图计算每个单个原子的位置和分子键,而是研究人员能量重态化算法只试图计算原子簇,从而更广泛地了解熵和焓影响系统。
结果通过三种不同类型的玻璃状聚合物(聚丁二烯,聚苯乙烯和聚碳酸酯)测试他们的方法 - 结果表明,粗粒的模拟与这些材料在现实世界中的行为方式准确地对应。
“解释眼镜的物理学是科学家无法解决的最大问题之一,”凯滕说。
“我们越来越接近了解他们的行为并解决了这个谜。”
调查结果报告在科学进步。