Um modelo de computador desenvolvido na Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago identificou o mecanismo em escala atômica pelo qual os vidros metálicos liberam energia quando fraturam, um comportamento que pode ser útil no projeto de novos materiais para aplicações tão diversas quanto cirúrgicas. ferramentas e peças de avião.

Quando os vidros metálicos são submetidos a estresse mecânico, eles podem liberar rapidamente sua energia de uma forma "frágil" - o que significa que fraturam inesperadamente, sem sinais óbvios de deformação ou aviso. Este comportamento contrasta com muitos outros materiais, como o aço ou a madeira, que se deformam "plasticamente", onde o material muda de forma permanentemente, antes de quebrar.

Compreender como a energia é liberada em vidros metálicos tem sido um grande desafio na ciência dos materiais, em parte porque as estruturas desses materiais são extraordinariamente complicadas. Ao contrário dos metais tradicionais que possuem estruturas cristalinas regulares, os vidros metálicos têm uma estrutura desordenada, semelhante a um líquido, muitas vezes referida como "líquido congelado".

O grupo liderado por Matthew L. Wallach, um estudante de doutorado, e Juan de Pablo, professor de Engenharia Química e Biológica Irene e Frederic Posvar, desenvolveu uma técnica de modelagem computacional que captura essa estrutura desordenada de vidros metálicos em um nível de detalhe que não foi possível até agora.

No modelo, os átomos individuais são representados por esferas, e a energia potencial do sistema – a energia que surge devido à interação entre os átomos – é calculada em todas as configurações atômicas possíveis. O programa de computador determina então a sequência de movimentos atômicos que leva à energia potencial mais baixa, correspondendo a uma situação em que a estrutura atingiu sua configuração de equilíbrio mais estável.

Esta estrutura muitas vezes não é a que o vidro metálico realmente possui, porque o material pode estar preso em um mínimo de energia metaestável - uma "colina" de energia que não é o mínimo global (estabilidade global significa que o sistema sempre relaxará nessa condição no tempo, com energia suficiente). Os estados metaestáveis ​​surgem de efeitos concorrentes no nível atômico. Por exemplo, em vidros metálicos, os átomos individuais normalmente preferem estar o mais distantes possível uns dos outros, mas as restrições geométricas podem forçar os átomos a ficarem mais próximos uns dos outros do que o ideal.

A metaestabilidade é um conceito crucial de design de materiais. Descreve a diferença entre o ideal e o real, e sua compreensão é fundamental para projetar novos materiais. Por exemplo, estados metaestáveis ​​podem ser usados ​​para projetar materiais que são mais fortes e resistentes, porque o material deve superar uma barreira de energia mais alta para "descompactar" e alterar sua configuração atômica.

O presente estudo revela que é o “descompactamento” de regiões em nanoescala na estrutura amorfa devido à força aplicada que permite que o material relaxe até sua configuração ideal e libere sua energia. O modelo computacional prevê a localização e as características desses defeitos em nanoescala para diferentes tipos de metais amorfos, bem como a quantidade de energia liberada durante a fratura.

O modelo do grupo também identifica os caminhos mais prováveis ​​pelos quais as rachaduras se propagam através do vidro e onde é mais provável que essas rachaduras terminem. Essas informações podem ajudar cientistas e engenheiros a evitar fraturas frágeis e projetar materiais que falham de maneira mais controlada ou vantajosa, melhorando o desempenho e a segurança desses materiais versáteis.

O estudo, "Fratura de controle de eventos plásticos em nanoescala em vidros metálicos", foi publicado na revista Physical Review Letters em 19 de novembro de 2018.