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固体物理学家考虑“水晶”

发布时间:2018-05-17    点击量:9

物理学家表示,反晶体是一种完全无序的理论固体,应该理解我们对大多数材料的理解。 /

上个世纪,晶体的概念一直是固体物理学的主流。晶体是秩序的典范;结晶材料由其组成原子和分子所形成的重复模式定义。

现在宾夕法尼亚大学和芝加哥大学的物理学家们已经有证据表明,一个新概念应该能够理解我们对大多数材料的理解:反晶体,一种完全无序的理论固体。

他们的研究表明,当试图了解真实材料的机械性能时,科学家在许多情况下可以更好地服务于从反晶体的框架开始并添加有序,而不是从完美的晶体开始并添加无序。这是因为即使是轻微无序的固体的机械性能可能与完美的晶体有更多相同的反晶体。

了解这些属性对于建模材料如何响应压力以及设计新材料和预测其行为至关重要。

该研究发表在“自然物理学”上,由宾夕法尼亚艺术与科学学院物理学教授安德里亚·刘进行;卡尔古德里奇,她的小组的研究生;芝加哥大学物理学教授Sidney Nagel。

“在过去的100年中,完美晶体的想法非常成功的原因之一,”古德里奇说,“因为不完美晶体的性质往往非常相似。”

除了极端受控的条件之外,没有真正的水晶是完美的;总体模式中总是存在无序的地方,这被称为缺陷。然而,当描述晶体材料的行为时,科学家首先将它看作是一个完美的晶体,然后根据缺陷实际存在的普遍程度进行推断。知道每个缺陷的确切形状和位置是没有必要的。

“但如果你不断加入混乱,从完美的水晶推断失败严重。机械性能不能再从完美的晶体中描述得很好。这就是反晶体进入的地方,“古德里奇说。

非晶态或非晶态材料可能具有其中具有不同重复模式但不具有总体顺序的原子的区域。这意味着玻璃或塑料的特性不能从完美的晶体推断出来,但是。从另一端工作,完美无序的固体,并不可行。并非所有的疾病都是相似的;例如,一副扑克牌有一个“正确”的顺序,但可以洗牌成天文数量庞大的不同顺序。

“在过去的十年左右,”刘说,“许多研究人员已经表明,所有这些不同的完全无序的方式确实有一些共同点,比如说,即使给出了所有的方式你可以洗牌一副牌。

“我们现在明白,对于某种类型的互动,有一个理解不同眼镜为什么具有相似性质的起点。”她说。 “这是当一种流体在压力下变成无序固体时发生的相变,我们称之为”堵塞过渡“。”

当物质的一种状态变成另一种时,例如当水冻结时发生相变。温度降低意味着水中的氢和氧原子不再具有足够的能量从它们自然嵌入的六边形图案中弹出。如果不能移动并流过彼此,氢原子和氧原子会结晶成固体冰。

然而,生产固体的另一种方法是将颗粒(如原子,分子,甚至沙粒)堵塞在一起,在高压下物理限制其运动。

“任何时候,如果你的临界点像一个相变,研究真正接近这个转变的细节就会告诉你系统如何远离转变,”古德里奇说。

通过从干扰过渡推断出来,研究人员发现,即使是相当有序的材料,其表现出的行为也比完美的晶体更接近于反晶体。

“需要七次洗牌才能完成随机排列的一副牌。但是,假设你只是洗牌一次,“古德里奇说。 “我们所说的是,当涉及到材料的机械行为时,即使这个套牌更接近完全洗牌而非完全订购。”

“在考虑排列组合时,有52个是很大的数目,”刘说,“但是它并没有接近阿伏加德罗的数量,而是可以安排一块玻璃上的所有原子的不同方式。”

拥有更好的玻璃或塑料起点对研究和工业设计都是有利的,但反晶体的原理非常有用,因为它们可以提供对许多晶体材料的洞察力。像钢铁这样的合金经常会使得晶体的形态越来越小,这意味着它们的行为会更好更好地被反晶体所描述。

“就像完美的晶体具有非常明确的特性一样,”刘说,“反晶体具有明确的特性,我们可以将真实材料看作是两者之间的某个地方。我们已经证明,在反晶体是一个更好的起点之前,它并没有太多混乱。“

该研究得到美国能源部和国家科学基金会的支持。

出版物:Carl P. Goodrich等人,“有序和无序的机械极端之间的固体”,Nature Physics,2014; DOI:10.1038 / nphys3006

来源:宾夕法尼亚大学

图片:宾夕法尼亚大学

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