Вчені намагаються контролювати внутрішні напруги в склі

Скло часто володіє внутрішнім напруженням, яке закладається ще на етапі формування об'єкта. У своїй останній роботі група вчених з Німеччини представила модель цього залишкового напруги на молекулярному рівні. У своїй роботі вони об'єднали експерименти, результати математичного моделювання, а також теорії, побудовані для систем з мікроскопічних кульок, які імітують скло. Вчені виявили, що, всупереч деяким прогнозам, залишкову напругу в склі може бути постійним (а не прагнуть до нуля) протягом довгого часу. Це можна розглядати як ще один аргумент на користь теорії, що скло - це не просто дуже в'язка рідина. Крім того, вчені змогли точно контролювати залишкову напругу, продемонструвавши, що попередня історія діяла ззовні навантаження цілком може визначати властивості матеріалу в майбутньому.

Відомий приклад залишкової напруги в склі - це так звана «голландська сльоза». Охолодження розплавленого скла в холодній воді призводить до появи об'єктів у формі викривленої краплі, в якій «голова» може витримати удари молотком. Однак якщо відламати тонкий хвіст цієї конструкції, вся вона буквально вибухає. Така поведінка пояснюється процесом формування «голландської сльози». Коли крапля вперше потрапляє в воду, зовнішня її поверхня охолоджується і твердне швидше, запобігаючи внутрішній простір від подальшого скорочення. Це призводить до підвищеної міцності «голови».

Варто відзначити, що «голландська сльоза» - не єдиний приклад, де напруги на стадії виробництва можуть забезпечити більшу міцність конструкції в майбутньому. Методом проб і помилок інженери знайшли способи за допомогою напруг підвищувати міцність не тільки скла, але і металевих сплавів. Але, незважаючи на всю практичну користь подібних процедур, до сих пір науковому світу відомо дуже мало про мікроскопічних деталях залишкових напружень.

Одна з популярних моделей невпорядкованого поведінки скла каже, що цей матеріал, по суті, являє собою дуже в'язку рідину, тому залишкові напруги, в кінцевому рахунку, повинні зникати, так як молекули неминуче рухатимуться під дією внутрішніх сил. Але і ця картина досі залишалася неповною. Її доповненням зайнялися вчені з Institute of Materials Physics in Space при German Aerospace Center (Німеччина). Дослідники розробили багатогранну картину, що включає в себе експерименти, результати математичного моделювання та розрахунків для пояснення конкретного випадку залишкових напружень.

Представлені вченими експерименти будувалися з використанням субмікронних пластикових кульок, плаваючих в рідині (що було еквівалентно молекулам скла). Кожен такий пластиковий кульку, по суті, знаходиться в потенційній ямі або так званої «клітці», яка визначається його найближчими сусідами. При низькій концентрації кульок суміш веде себе, як щільна рідина або гель, але вище певної щільності кульки можуть застрявати на своїх місцях, залишаючись при цьому неупорядкованими, як молекули в склі. Таким чином, зміна концентрації дозволило вченим легко перемикатися між жідкостноподобним і стеклоподобную станами.

Для порівняння цих станів вчені створювали в своєму колоїдному розчині за допомогою спеціального приладу напруга зсуву. Після чого вимірювалася сила внутрішньої напруги, що виникає в розчині. Виявилося, що в жідкостноподобном стані ця сила зникає через кілька секунд (тому що кульки можуть вільно переміщатися, щоб зменшити внутрішнє напруження). А ось в стеклоподобную стані сила спочатку також зменшується, а потім стабілізується при деякому фіксованому значенні. Такий разючий контраст поведінки виступає в розріз з уявленнями про те, що скло - це просто рідина високої в'язкості.

В рамках різних випробувань вчені варіювали швидкість виникнення деформації зсуву і виявили, що залишкова напруга зменшується при збільшенні швидкості первинної деформації. Це доводить, що скло може перебувати в різних станах, в залежності від механічної історії. Варто зазначити, що такий ефект пам'яті добре відомий по відношенню до теплової історії (різним швидкостям нагрівання та охолодження), але значно меншою мірою - по відношенню до механічних напруг.

Щоб краще зрозуміти подібну поведінку, команда використовувала молекулярну динаміку, яка дозволила відстежити руху окремих кульок. На базі проведеного моделювання вони побудували складну модель, що пояснює цю механічну пам'ять. В рамках даної моделі напруга зсуву руйнує «клітки», в яких знаходиться кожен кульку, дозволяючи їм рухатися до рівноваги під дією внутрішньої напруги. Чим швидше деформація зсуву, тим вона більш руйнівна; отже, тим швидше вивільнені кульки можуть зайняти положення рівноваги. Однак «клітки» швидко відновлюються, «замикаючи» залишилися кульки в стані напруги. Таким чином, кількість залишкової напруги на цій стадії діє як своєрідна пам'ять, оскільки вона залежить від швидкості деформації, випробуваної склом.