Представьте себе материал, который не просто пассивно существует, а активно реагирует на условия, подстраивая свои свойства.
Звучит как научная фантастика?
Возможно, но исследователи из Института фундаментальных исследований Тата (TIFR) в Хайдарабаде сделали значительный шаг в этом направлении.
Их работа, опубликованная в престижном журнале Nature Physics, проливает свет на удивительную способность так называемых «активных стекол» самостоятельно регулировать свою хрупкость.
Это открытие не только расширяет наши фундаментальные знания о материалах, но и открывает захватывающие перспективы — от понимания процессов в живых тканях до создания метаматериалов нового поколения.
Танец хрупкости и активности
Так как же связаны скорость охлаждения и свойства стекла? Обычно, если охлаждать медленно, получается хорошо «отожженное» стекло.
Оно более стабильно, но, как правило, хрупкое — то есть, ломается резко, без предварительной деформации.
А вот быстрое охлаждение дает менее «отожженное» стекло, которое оказывается более пластичным: оно способно растягиваться, образовывать «шейку» перед тем, как разрушиться
Чтобы это визуализировать, ученые часто прибегают к аналогии «энергетического ландшафта».
Представьте себе холмистую местность с долинами (локальные минимумы энергии) и перевалами (энергетические барьеры).
Каждое состояние стекла — это как будто оно «застряло» в одной из таких долин.
Чем медленнее охлаждение, тем глубже «долина», в которую система успевает «скатиться».. вот тут-то начинается самое интересное.
Исследователи Шарма и
Кармакар с помощью компьютерного моделирования показали: если некоторым частицам в плохо отожженном (то есть, пластичном) стекле придать дополнительную подвижность — ту самую «активность» — система начинает как бы сама себя «доотжигать».
Активные частицы, двигаясь, подталкивают своих «соседей», помогая всей системе преодолевать небольшие энергетические барьеры и переходить во все более глубокие «долины» энергетического ландшафта.
Потенциальная энергия системы при этом постепенно снижается.Каков результат?
Изначально пластичный материал становится… более хрупким!
Да-да, именно так. Внутренняя активность, по сути, выполняет работу по дополнительному отжигу, делая стекло более упорядоченным на своем аморфном уровне и, как следствие, менее податливым.a,
Схема процесса текучести в стеклах при осциллирующем сдвиге, где амплитуда осциллирующей деформации сдвига γ_max является управляющим параметром.
Плохо отожженные стекла (имеющие большую потенциальную энергию, U) отжигаются значительно лучше при увеличении γ_max по сравнению с хорошо отожженными стеклами, которые практически не отжигаются.
При превышении амплитуды текучести γ^Y_max система полностью «забывает» свою историю отжига. b, Влияние активной динамики при τ_p = 4 (проведенное в течение временного окна t_w) на стекла, имеющие различные собственные энергии состояний. До порогового значения f0 = 1.9 для данной модели мы наблюдаем усиленное старение, что видно по переходу системы к все более глубоким минимумам.
При превышении этого порога различные кривые сливаются в одну кривую, обозначая состояние текучести, в котором система больше не сохраняет память о своей первоначальной подготовке.
Аналогично циклическому сдвигу, мы также наблюдаем, что плохо отожженные стекла значительно лучше откликаются на отжиг посредством активного воздействия по сравнению с хорошо отожженными стеклами, которые практически не отжигаются. c, Изменение кривой текучести, соответствующей E_IS = -6.910 (огибающая кривая на рис. b), с временем персистентности.
Мы наблюдаем сдвиг точки текучести к более высоким значениям f0 при уменьшении τ_p. Это поведение согласуется, если качественно сопоставить частоту активных переориентаций 1/τ_p с частотой осцилляций в случае циклического сдвига. Там также, с увеличением частоты осцилляций, наблюдается сдвиг амплитуды текучести γ_yield к более высокому значению. d,
Диаграмма состояний, изображающая зависимость старения от состояний текучести, разделенных линией текучести, полученной путем построения графика зависимости силы текучести f0^Y от τ_p из (данных) c.
Планки погрешностей ограничены точками самых низких энергий и первой точкой, где энергии начинают расти, и их средние значения отмечают точки текучести на рис. d.
Размер системы N = 10 000 частиц, усредненный по n = 16 ансамблям. Цитирование: Sharma, R., Karmakar, S. Activity-induced annealing leads to a ductile-to-brittle transition in amorphous solids. Nat. Phys. 21, 253-261 (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02724-5
Автор: Sharma, R., Karmakar, S. Источник: www.nature.com
От стареющих тканей до метаматериалов будущего
Казалось бы, ну стало стекло чуть хрупче, что с того?
А вот тут открываются весьма любопытные параллели.
Во-первых, это может помочь понять некоторые механические изменения, происходящие в стареющих или созревающих биологических тканях.
Ведь клетки — это те же активные элементы.
Возможно, усиленное «старение» активных стекол, наблюдаемое в моделях, отчасти объясняет, почему ткани со временем теряют эластичность.
Во-вторых, и это, пожалуй, еще более захватывающе, такой механизм саморегуляции можно использовать для создания принципиально новых метаматериалов.
Представьте материалы, которые могли бы изменять свою хрупкость или пластичность «по команде» или в ответ на определенные условия в течение своего срока службы.
Это уже не просто пассивный конструкционный элемент, а почти «разумная» система!
Неожиданный двойник: когда тряска — это благо
Но и это еще не все сюрпризы.
Ученые обнаружили поразительное сходство в поведении активных стекол и обычных, пассивных стекол, подвергнутых циклическому сдвигу.
Что это такое? Представьте, что вы взяли, скажем, коробку с желе и начинаете ее ритмично раскачивать из стороны в сторону за верхнюю крышку, оставив основание неподвижным.
Это и есть упрощенная модель циклического сдвига.
Оказалось, что многие эффекты, наблюдаемые в активных стеклах, можно воспроизвести в пассивных, просто подвергая их такой «встряске».
Более того, силу внутренних «моторчиков» в активных стеклах и время их «работы» можно сопоставить с амплитудой и частотой внешних колебаний для пассивных стекол.
Одно из ключевых сходств — это эффект «памяти».
Как пассивные стекла под действием циклического сдвига «запоминают» амплитуду деформации (этот «отпечаток» потом можно считать специальными методами), так и активные стекла демонстрируют похожие эффекты памяти, хотя и считываются они немного иначе.
А поскольку активность клеток во многом управляется их метаболизмом, эти наблюдения могут намекнуть на то, как связаны процессы «обучения» на клеточном уровне и энергетические потребности организма.
Интригующе, не правда ли?Еще одно общее явление — переход системы из «замороженного» состояния в текучее при достаточно сильном воздействии (внутренней активности или внешней тряске).
Этот процесс «разжижения» в активных стеклах активно изучается, так как он критически важен для понимания таких биологических процессов, как заживление ран или морфогенез (формирование органов и тканей), где требуется массовое перемещение клеток.
Цветовая шкала обозначает величину квадратов смещений. a — c, При одинаковой истории отжига с активностью, четкая полоса сдвига образуется (в пассивном случае, после отжига) только если соотношение сторон больше 1, как видно для AR = 2 (b) и AR = 4 (c).
Ниже этого значения, формирование полосы сдвига под углом 45° геометрически затруднено из-за фиксированных стенок с обеих сторон (a). d,
Влияние f0 на формирование полосы сдвига в хорошо отожженных стеклах.
При заданном времени персистентности (здесь, τ_p = 4), отмечается постепенное исчезновение четкой полосы сдвига, когда испытание на растяжение проводится в присутствии активности с все большими и большими значениями f0. e — g, Конфигурации, изображающие полосу сдвига, сформированную при f0 = 0.2 (e), становятся все более размытыми, когда стекло достигает текучести при больших значениях f0 (0.8 на f и 1.6 на g). h, i,
Хрупкое поведение полосы сдвига, утраченное при более высоких f0, может быть восстановлено путем увеличения времени персистентности, как видно из кривой напряжение-деформация на h и соответствующей конфигурации образца на i. Таким образом, в то время как увеличение f0 подавляет формирование полосы сдвига, большее время персистентности способствует ему.
Для устранения резкого падения напряжения, связанного с формированием полосы сдвига, изображены кривые напряжение-деформация для отдельных образцов. Постоянное значение γ̇ = 5 x 10⁻⁵ используется повсеместно. Цитирование: Sharma, R., Karmakar, S. Activity-induced annealing leads to a ductile-to-brittle transition in amorphous solids. Nat. Phys. 21, 253-261 (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02724-5
Автор: Sharma, R., Karmakar, S. Источник: www.nature.comМост между мирами и взгляд в будущее
В чем же главная ценность этой аналогии между активными стеклами и пассивными стеклами под циклической нагрузкой?
Она в том, что для изучения обычных аморфных твердых тел физиками уже накоплен огромный багаж знаний и инструментов.
И теперь этот инструментарий можно применять для исследования гораздо более сложных биофизических систем!
Это как получить новый, мощный микроскоп для изучения живой материи.Мост между мирами и взгляд в будущее
В чем же главная ценность этой аналогии между активными стеклами и пассивными стеклами под циклической нагрузкой?
Она в том, что для изучения обычных аморфных твердых тел физиками уже накоплен огромный багаж знаний и инструментов.
И теперь этот инструментарий можно применять для исследования гораздо более сложных биофизических систем!
Это как получить новый, мощный микроскоп для изучения живой материи.
Конечно, предложенный метод «активного отжига» пока не может сравниться по эффективности с некоторыми узкоспециализированными техниками компьютерного моделирования, такими как метод Монте-Карло с обменом частиц, который позволяет достигать экстремально низких энергетических состояний. «
Активность» все-таки действует локально.
Тем не менее, работа индийских ученых открывает новые горизонты.
Необходимо дальнейшее исследование, чтобы понять, можно ли повысить эффективность «активного отжига» или использовать его в комбинации с другими методами.
А изучение эффектов памяти и «обучения» в активных системах — это и вовсе непаханое поле для будущих открытий.
Так что, казалось бы, простое стекло, которое мы видим каждый день, скрывает в себе еще множество тайн.
И каждая разгаданная тайна не только углубляет наше понимание мира, но и приближает нас к созданию технологий, о которых раньше можно было только мечтать.
Кто знает, возможно, уже скоро наши смартфоны или даже медицинские импланты будут сделаны из материалов, способных самостоятельно «закаляться» и адаптироваться к нашим потребностям.
Комментариев нет:
Отправить комментарий