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让玻璃更清晰

multiscale model of polymeric glass聚合物玻璃的多尺度模型预测其温度依赖性。来源:中国夏

并不是所有的玻璃都是透明的。特别是它的原子是如何排列和表现的,令人吃惊的不透明。

问题是玻璃是一种非晶态固体,是介于固体和液体之间的一种神秘的材料。玻璃材料还包括聚合物或常用塑料。虽然它看起来是稳定和静态的,玻璃的原子却在不停地移动,令人沮丧地徒劳地寻找平衡。这种不稳定的行为使得研究人员几乎无法确定玻璃的物理特性。

现在,包括西北大学北达科他州立大学和美国国家标准与技术研究院(NIST)在内的一个多机构研究小组设计了一种算法,目的是让聚合物眼镜更加清晰。该算法使研究人员能够创建粗粒度模型来设计具有动态特性的材料,并预测其不断变化的行为。它被称为“能量重整算法”,是第一个能准确预测玻璃在不同温度下的力学行为,并能快速发现具有最佳性能的新材料。

希凯滕

“目前的材料发现过程可能需要几十年,”西北大学的锡南·科滕(Sinan Keten)说。“我们的方法将分子模拟放大了大约一千倍,因此我们可以更快地设计材料,并检查它们的行为。”

“尽管我们周围到处都是玻璃材料,但科学家们仍然难以理解它们的性质,比如它们的流动性和扩散随温度或成分的变化,”NIST研究员杰克f道格拉斯(Jack F. Douglas)说。“这种缺乏理解的情况严重限制了新材料的合理设计。”

这项研究最近发表在《科学进展》杂志上。北达科他州立大学土木与环境工程助理教授夏文杰是这篇论文的第一作者。

玻璃的奇怪行为源于它的制造方法。它开始是一个熔融物质的热池,然后迅速冷却。尽管最终的材料想在冷却状态下达到平衡,但它对温度的变化非常敏感。如果材料受热,它的机械性能会发生很大的变化。这使得研究人员很难利用现有的分子模拟技术有效地预测其力学性能。

西北大学麦考密克工程学院机械工程、土木和环境工程副教授Keten说:“玻璃看起来很简单,但它是一种非常奇怪的材料。”“它是无定形的,没有平衡结构,所以它不断地通过分子的缓慢运动进化。然后,随着温度和每种玻璃材料的分子特征的不同,它的演化方式也有很多变化。在分子模拟中,这些过程需要很长时间才能计算出来。只有把分子的位置映射到更简单的结构模型上,才能加快计算速度。”

玻璃的结构与晶体形成鲜明的对比,晶体中的原子以有序、可预测和对称的方式排列。“在晶体材料中绘制原子图很容易,因为它们有重复的结构,”Keten解释说。“而在非晶态材料中,由于缺乏长期的顺序,很难绘制出结构。”

夏补充说:“由于玻璃的非晶态和无序性质,其性能可能会随着温度的变化而发生很大的变化,这使得预测其物理行为极其困难。”“现在,我们找到了解决这个问题的新方法。”

尽管玻璃看起来很简单,但它是一种非常奇怪的材料。它通过分子的缓慢运动不断进化。思南科腾
机械工程师

为了应对这一挑战,Keten、Douglas、Xia和他们的合作者设计了他们的算法,考虑到玻璃分子移动或不移动的多种方式,这取决于随时间变化的温度。计算玻璃中每个原子的位置将是非常缓慢和乏味的,即使对于一个高性能算法来说也是如此。因此,Keten和他的合作者使用了“粗粒度建模”,这是一种简化的方法,用于观察原子簇而不是单个原子。他们的新方法有效地为这些较粗颗粒之间的相互作用创建了参数,以便该模型能够捕捉到玻璃状材料冷却时分子运动的急剧减速。

Keten说:“我们甚至不能对纳米厚度的玻璃薄膜进行原子对原子的模拟,因为即使那样也太大了。”“这仍然是数以百万计的分子。粗粒度模型允许我们研究更大的系统,其规模可与实验室的实验媲美。”

到目前为止,Keten和他的团队已经将他们的算法与三种已经很好地描述和非常不同类型的聚合物玻璃形成液体进行了对比。在每一种情况下,该算法都能准确预测出大范围温度下的已知动态特性。

“众所周知,解释眼镜的物理特性一直是科学家们未能解决的最大问题之一,”Keten说。“我们越来越接近了解他们的行为,并解开谜团。”

题目:工程,麦考密克工程学院,研究

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.northwestern.edu/stories/2019/04/making-glass-more-clear/