Ученые пытаются контролировать внутренние напряжения в стекле
 "Голландская слеза" из стекла. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Известный пример остаточного напряжения в стекле – это так называемая «голландская слеза». Охлаждение расплавленного стекла в холодной воде приводит к появлению объектов в форме искривленной капли, в которой «голова» может выдержать удары молотком. Однако если отломать тонкий хвост этой конструкции, вся она буквально взрывается. Такое поведение объясняется процессом формирования «голландской слезы». Когда капля впервые попадает в воду, внешняя ее поверхность охлаждается и затвердевает быстрее, предотвращая внутреннее пространство от последующего сокращения. Это приводит к повышенной прочности «головы».
Стоит отметить, что «голландская слеза» – не единственный пример, где напряжения на стадии производства могут обеспечить большую прочность конструкции в будущем. Методом проб и ошибок инженеры нашли способы при помощи напряжений повышать прочность не только стекла, но и металлических сплавов. Но, несмотря на всю практическую пользу подобных процедур, до сих пор научному миру известно очень мало о микроскопических деталях остаточных напряжений.
Одна из популярных моделей неупорядоченного поведения стекла говорит, что этот материал, по существу, представляет собой очень вязкую жидкость, поэтому остаточные напряжения, в конечном счете, должны исчезать, так как молекулы неизбежно будут двигаться под действием внутренних сил. Но и эта картина до сих пор оставалась не полной. Ее дополнением занялись ученые из Institute of Materials Physics in Space при German Aerospace Center (Германия). Исследователи разработали многогранную картину, включающую в себя эксперименты, результаты математического моделирования и расчетов для объяснения конкретного случая остаточных напряжений.
Представленные учеными эксперименты строились с использованием субмикронных пластиковых шариков, плавающих в жидкости (что было эквивалентно молекулам стекла). Каждый такой пластиковый шарик, по сути, находится в потенциальной яме или так называемой «клетке», определяемой его ближайшими соседями. При низкой концентрации шариков смесь ведет себя, как плотная жидкость или гель, но выше определенной плотности шарики могут застревать на своих местах, оставаясь при этом неупорядоченными, как молекулы в стекле. Таким образом, изменение концентрации позволило ученым легко переключаться между жидкостноподобным и стеклоподобным состояниями.
Для сравнения этих состояний ученые создавали в своем коллоидном растворе с помощью специального прибора напряжение сдвига. После чего измерялась сила внутреннего напряжения, возникающая в растворе. Оказалось, что в жидкостноподобном состоянии эта сила исчезает через несколько секунд (т.к. шарики могут свободно перемещаться, чтобы уменьшить внутреннее напряжение). А вот в стеклоподобном состоянии сила сначала также уменьшается, а затем стабилизируется при некотором фиксированном значении. Такой разительный контраст поведения выступает в разрез с представлениями о том, что стекло – это просто жидкость высокой вязкости.
В рамках различных испытаний ученые варьировали скорость возникновения деформации сдвига и обнаружили, что остаточное напряжение уменьшается при увеличении скорости первичной деформации. Это доказывает, что стекло может находиться в различных состояниях, в зависимости от механической истории. Стоит отметить, что такой эффект памяти хорошо известен по отношению к тепловой истории (различным скоростям нагрева и охлаждения), но гораздо в меньшей степени – по отношению к механическим напряжениям.
Чтобы лучше понять подобное поведение, команда использовала молекулярную динамику, позволившую отследить движения отдельных шариков. На базе проведенного моделирования они построили сложную модель, объясняющую эту механическую память. В рамках данной модели напряжение сдвига разрушает «клетки», в которых находится каждый шарик, позволяя им двигаться к равновесию под действием внутреннего напряжения. Чем быстрее деформация сдвига, тем она более разрушительна; следовательно, тем быстрее высвобожденные шарики могут занять положение равновесия. Однако «клетки» быстро восстанавливаются, «запирая» оставшиеся шарики в состоянии напряжения. Таким образом, количество остаточного напряжения на этой стадии действует как своеобразная память, поскольку она зависит от скорости деформации, испытанной стеклом.
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Также по теме:
- Механическое напряжение в кристалле улучшает свойства органических полупроводников
- Электрическое напряжение в графене позволяет контролировать терагерцовое излучение
- Гибкие электронные компоненты из массивов нанотрубок
- Топографический изолятор из графена
- Предложен материал, сильно изменяющий свою структуру под действием магнитного поля
Источники: