Cam ve diğer amorf malzemeler neden bazı bölgelerde diğerlerinden daha kolay deforme olur? Osaka Üniversitesi, Ulusal İleri Sanayi Bilim ve Teknolojisi Enstitüsü (AIST), Okayama Üniversitesi ve Tokyo Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi cevabı ortaya çıkardı.
Kalıcı homoloji olarak bilinen matematiksel bir yöntem uygulayarak, ekip bu yumuşak bölgelerin, sıralı ve düzensiz atomik düzenlemelerin bir arada bulunduğu gizli hiyerarşik yapılar tarafından yönetildiğini göstermiştir.
Tuz veya buz gibi kristal katılar, tekrarlanan desenlerde düzgün bir şekilde düzenlenmiş atomlara sahiptir. Cam, kauçuk ve bazı plastikler de dahil olmak üzere amorf malzemeler bu uzun menzilli düzenden yoksundur. Bununla birlikte, tamamen rastgele değildirler: birkaç nanometreye uzanan orta menzilli düzen (MRO), ince atomik desenlere sahiptirler.
MRO’nun uzun zamandır amorf malzemelerin fiziksel özelliklerinin, özellikle mekanik tepkilerinin belirlenmesinde kritik bir rol oynadığından şüphelenilmektedir. Yine de, atom ağlarının karmaşıklığı nedeniyle, geleneksel analiz yöntemleri MRO’nun çevrelerinden daha kolay deforme olan bölgelerle nasıl ilişkili olduğunu açıklayamamıştır. Bu nedenle, amorf katılarda mekanik yumuşaklığın yapısal kökenleri anlaşılmaz kalmıştır.
Araştırma ekibi, yapısal özellikleri birden fazla ölçekte yakalayan bir topolojik veri analizi dalı olan kalıcı homoloji uyguladı. Güneş hücrelerinde ve elektronik cihazlarda yaygın olarak kullanılan prototip bir kovalent amorf malzeme olan amorf silikonda hiyerarşik halka yapılarını keşfettiler: düzensiz kenar uzunluklarına sahip daha küçük halkalar daha büyük halkaların içinde yuvalanmıştır.
Düzen ve bozukluğun bu bir arada bulunması, yumuşaklığın sadece rastgelelikten değil, yerel bozuklukla iç içe geçmiş orta menzilli düzenin getirdiği kısıtlamalardan ortaya çıktığı anlamına gelir. Çalışma ayrıca, bu hiyerarşik yapıların, “Bozon Tepesi” olarak bilinen gözlüklerin evrensel bir özelliği olan düşük enerjili lokalize titreşimlerle güçlü bir şekilde ilişkili olduğunu ortaya koydu.
“Bu çalışma, amorf malzemelerin atomik yapısını mekanik yanıtlarıyla ilişkilendirmek için yeni bir yol sunuyor,” diyor Osaka Üniversitesi EMI Minamitani Doğa İletişimi.
“Bu içgörülerin dayanıklı cam ve diğer gelişmiş amorf malzemelerin tasarımını hızlandıracağına inanıyoruz.”
Keşif açık bir yapısal prensip oluşturur: bozukluğun orta menzilli sıraya yerleştirildiği mekanik olarak yumuşak bölgeler ortaya çıkar.
Bu mantıksız bulgu, hem esnek hem de güçlü olan amorf katıların geliştirilmesi için pratik bir kılavuz sağlar – ekranlardan ve kaplamalardan enerji cihazlarına kadar uygulamaları devralır.
