Cientistas da Universidade Metropolitana de Tóquio criaram um novo modelo para materiais desordenados para estudar como os materiais amorfos resistem ao estresse. Eles trataram grupos de átomos e moléculas como esferas moles com suavidade variável.



Colocando seu modelo sob carga, eles descobriram disparidades inesperadas entre regiões mais duras e onde as forças estavam concentradas, com áreas entre essas regiões “endurecendo” para produzir “cadeias de força” alongadas. Suas descobertas, publicadas em Relatórios Científicos , prometem novos insights para projetar materiais melhores.

Quando se trata de construir materiais duros, usar ingredientes duros não é suficiente. Por exemplo, quando o concreto falha durante terremotos, as forças geradas concentram-se em determinados locais, causando a formação de fissuras. Sabe-se que a transmissão de forças através de sólidos amorfos como concreto e cimento segue caminhos bem definidos, conhecidos como “cadeias de força”.

Decifrar como eles emergem ajudaria muito a entender como esses sólidos se comportam sob tensão, mas ainda não se sabe como eles emergem e como se relacionam com as propriedades do material.

Isto inspirou uma equipe de pesquisadores da Universidade Metropolitana de Tóquio, liderada pelo professor Rei Kurita, a construir modelos simples e tratáveis ​​de materiais amorfos que podem nos ensinar como se formam as cadeias de força. Em vez de simplesmente simular o movimento de todos os átomos de algum material, eles decidiram representar grupos de átomos com esferas de rigidez variável, refletindo como esses grupos respondem às forças.

Os materiais que estudaram foram então caracterizados pela variação da rigidez no espaço e pela amplitude dos padrões de regiões duras e moles.

Deformando seu conjunto de partículas moles, eles primeiro procuraram se a rigidez local estava correlacionada com a transmissão da cadeia de força. Inicialmente, parecia haver uma correlação clara entre regiões mais duras e cadeias de força. No entanto, uma análise mais aprofundada revela que as cadeias de força têm uma forma mais semelhante a uma corda e não se correlacionam tão bem com regiões duras isoladas.

Para compreender esta discrepância, a equipa estudou um modelo mais simples de duas regiões rígidas separadas por uma região mais macia, descobrindo que a região mais macia se torna mais densa, gerando as elevadas forças necessárias para manter a corrente em movimento. Este é um primeiro vislumbre da mecânica fundamental de como as cadeias de força se conectam.

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Mas como essas variações afetam as propriedades do material? Acontece que variações maiores na suavidade e regiões macias/duras mais amplas levam a materiais consistentemente mais macios, assim como variações maiores na densidade local. A conclusão que podemos tirar é que mesmo com os mesmos blocos de construção, os materiais amorfos com uma rigidez mais uniforme proporcionam um material mais duro devido à distribuição mais uniforme das cadeias de força.

Embora o surgimento de variações de rigidez em materiais reais permaneça inexplorado, a equipe espera que seu novo modelo e mecanismo abram caminho para princípios de design para produzir materiais melhores.

Mais informações: Rei Kurita et al, Formações de rede de forças e amolecimento de materiais elásticos amorfos a partir de um modelo de partículas de granulação grossa, Relatórios Científicos (2024). DOI:10.1038/s41598-024-59498-2
Informações do diário: Relatórios Científicos

Fornecido pela Universidade Metropolitana de Tóquio