Исследователи из Института промышленных наук Токийского университета изучили аномальные свойства аморфных твердых тел, включая стекла, с помощью компьютерного моделирования и обнаружили лежащий в их основе общий колебательный механизм, который может помочь контролировать свойства стекла. Предоставлено: Институт промышленных наук Токийского университета.

Иногда дорогое стекло рекламируют как «хрусталь», но для ученых-материаловедов это далеко не так. Кристаллы образованы атомами, расположенными в упорядоченном, повторяющемся порядке, в то время как стекло представляет собой неупорядоченное аморфное твердое тело. Ученым известно, что при низких температурах многие неупорядоченные материалы обладают очень похожими друг на друга свойствами, включая удельную теплоемкость и теплопроводность. Кроме того, эти свойства значительно отличаются от свойств материалов, изготовленных из упорядоченных кристаллов. Кроме того, в определенном диапазоне частот, стекловидные материалы имеют большее количество доступных мод вибрации, чем кристаллы, известные в этой области как «бозонный пик». Хотя были предложены различные теории, физические механизмы, лежащие в основе этих наблюдений, оставались предметом активных исследований.

Теперь ученые из Токийского университета использовали сложное компьютерное моделирование молекулярной динамики для численного расчета поперечных и продольных динамических структурных факторов модельных стекол в широком диапазоне частот. Они обнаружили, что струнные колебательные движения, при которых изогнутые линии частиц, упакованных в форме буквы «С» внутри материала, могут двигаться вместе, оказались важными движущими силами аномальных эффектов. «Эти динамические дефекты дают общее объяснение происхождения наиболее фундаментальных динамических режимов стеклообразных систем», — говорит первый автор Юань-Чао Ху. В дополнение к бозонному пику эти струнообразные динамические дефекты могут совершать типы быстрой и медленной релаксации, наблюдаемые в частицах, составляющих стекло.

Это исследование имеет много важных последствий как для фундаментальной науки, так и для промышленных приложений, потому что бозонный пик обнаруживается во многих системах, а не только в очках. «Мы показываем, что бозонный пик возникает из-за квазилокализованных колебаний струноподобных динамических дефектов», — говорит старший автор Хадзиме Танака. Объяснение этой особенности прольет свет на многие другие типы неупорядоченных материалов. Это также принесет пользу многим пользователям интеллектуальных устройств, поскольку почти все смартфоны, планшеты и ноутбуки с сенсорным экраном основаны на стеклянных материалах, результаты этого исследования могут улучшиться.

Работа опубликована в Nature Physics.