Hora extra, quando um vidro metálico é colocado sob tensão, seus átomos mudarão, deslizar e formar bandas que deixam o material mais sujeito a quebrar. Cientistas da Rice University desenvolveram novos métodos computacionais baseados em uma teoria geral de vidros para explicar o porquê.

Um novo jornal no Proceedings of the National Academy of Sciences pelo físico de Rice Peter Wolynes e o ex-aluno Apiwat Wisitsorasak estabelecem uma base para calcular como todos os tipos de vidro se transformam ao longo do tempo quando são submetidos a estresse mecânico. Suas fórmulas podem ajudar cientistas e fabricantes a tornar o vidro melhor para aplicações específicas.

Vidros metálicos são ligas que têm uma estrutura desordenada semelhante à do vidro, em vez das estruturas policristalinas de metais familiares. Eles podem ser frágeis e dúcteis em graus e podem ser feitos em formas complexas, como chefes de tacos de golfe. Ao contrário do vidro da janela, eles são condutores e podem ser úteis para a eletrônica.

Externamente, o vidro pode parecer sólido, mas a matriz aleatória de moléculas dentro está sempre se movendo, Wolynes disse. É sabido há décadas que, quando estressado, óculos formarão bandas de cisalhamento, linhas que localizam a tensão. Muitas ideias foram apresentadas sobre como isso acontece, mas agora o grupo Rice pode explicar o fenômeno usando uma teoria geral de como os vidros se formam com base em paisagens energéticas.

Wolynes continuou seu estudo de longa duração das propriedades moleculares do vidro no Centro de Física Teórica Biológica de Rice (CTBP), onde também desenvolve a física de paisagens energéticas para o dobramento de proteínas e DNA. Sua motivação para o novo trabalho era ver se a formação de bandas de cisalhamento poderia ser explicada por meio de cálculos que descrevem como a tensão altera a taxa de rearranjo atômico no vidro.

“Meu interesse imediato é mostrar que esse fenômeno das bandas de cisalhamento, o que é notável em materiais metálicos, pode ser entendido como parte da teoria unificada dos vidros, "disse ele. Essa teoria, formado ao longo de décadas por Wolynes e colegas, descreve muitos aspectos de como os vidros se formam quando um líquido é resfriado.

Segundo ele, dois fatores levam à formação de faixas de cisalhamento em vidros metálicos. "Uma é que quando o vidro é formado, é um pouco mais fraco em alguns lugares do que em outros. A esse respeito, as bandas são parcialmente programadas no vidro.

"O outro fator é o elemento de aleatoriedade, "disse ele." Todas as reações químicas requerem concentração de energia em algum modo particular de movimento, mas o movimento no vidro é especialmente complexo, então você tem que esperar por um evento de ativação acontecer por acaso. Você precisa de uma espécie de evento de nucleação. "

Esses "eventos de ativação aparentemente aleatórios, "acoplamentos moleculares que acontecem naturalmente quando um líquido super-resfriado flui, tornam-se raros quando o vidro se acomoda em sua forma, mas aumentam quando o vidro é tensionado. Os eventos desencadeiam o movimento cooperativo de moléculas adjacentes e, eventualmente, resultam em bandas de cisalhamento.

As bandas, os pesquisadores escreveram, marcar regiões de alta mobilidade e onde a cristalização local pode ocorrer e mostrar onde o vidro pode falhar.

Wolynes disse que a teoria da transição aleatória de primeira ordem permite que os cientistas "digam coisas sobre as estatísticas desses eventos, quão grandes eles são e as regiões envolvidas, sem ter que simular um evento completo usando simulação de dinâmica molecular.

"Isso abre a capacidade de fazer cálculos realistas sobre a resistência do vidro e, certamente, vidros metálicos. Pode-se adicionar os recursos de cristalização e fraturas ao modelo também, que seria de interesse para cientistas de materiais que trabalham em aplicações práticas, " ele disse.

Wolynes e Wisitsorasak testaram suas ideias em um modelo de computador bidimensional de Vitreloy 1, um vidro metálico desenvolvido no Instituto de Tecnologia da Califórnia que "congela" em sua temperatura de transição vítrea de 661 graus Fahrenheit.

Os pesquisadores colocaram o modelo sob tensão, reduziu os meses necessários para um estudo prático em segundos e observou o material formar bandas de cisalhamento precisamente como visto por laboratórios e de acordo com a teoria estabelecida, Wolynes disse.

Modelos de computador são o caminho a percorrer para esses estudos, ele disse, porque os experimentos de laboratório podem levar meses ou anos para dar frutos. "Nosso trabalho prepara o terreno para uma nova maneira de modelar as propriedades mecânicas de materiais vítreos que fluem, bem como este fenômeno estranho onde o efeito que você vê é macroscópico, mas na verdade está sendo causado por eventos em nanoescala, " ele disse.