Физики TIFR связали предел текучести стёкол с их хрупкостью

Стекло окружает нас повсюду — от экранов смартфонов и оконных стеклопакетов до сложных полимеров и гелей. При этом одни материалы при ударе разлетаются на мелкие осколки, а другие лишь деформируются. Команда физиков из Института фундаментальных исследований Тата (TIFRH) выяснила точные причины разрушения стекла, опубликовав результаты масштабного компьютерного моделирования в научном издании Nature Communications.

Ключ к разгадке кроется в процессе производства. Любое стекло — это жидкость, которую охладили настолько быстро, что ее молекулы не успели выстроиться в правильную кристаллическую решетку, застыв в хаотичном порядке. Индийские ученые установили, что механические свойства готового материала зависят от того, как именно замедляется движение этих частиц при охлаждении (так называемых «энергетических барьеров»).

Если при понижении температуры вязкость жидкости растет резко и неравномерно, формируется классическое «хрупкое» стекло. Под физическим давлением (изгибом или сжатием) такой материал долго сопротивляется, накапливая энергию. Когда достигается предел текучести (максимальный порог прочности), происходит резкий сброс напряжения — материал мгновенно лопается. Напротив, если вязкость при охлаждении нарастает плавно («прочные» стекла), энергетические барьеры остаются низкими. Такой материал при нагрузке демонстрирует пластичность: он не накапливает критическое напряжение и начинает плавно деформироваться еще до того, как сломается.

Детальное понимание связи между температурными режимами и деформацией материалов имеет колоссальное практическое значение. Зная причины разрушения стекла на молекулярном уровне, технологи смогут программировать прочность материалов еще на этапе их плавки. В перспективе это приведет к созданию небьющихся дисплеев для гаджетов, более безопасных лобовых стекол для автомобилей и долговечных композитов для аэрокосмической отрасли.