«Чтобы выяснить, как совокупность выбирает собственный сценарий перестановки», сообщил Дуглас Дуриэн, астрономии и преподаватель физики в Университете Пенсильвании, «мы должны установить сообщение с главной микроскопической структурой. Для кристаллов это легко; перестановки в топологических недостатках, таких как дислокации.
Для хаотичных жёстких частиц это – весьма тяжёлая 40-летняя неприятность, которую мы сейчас взломали: Какой и где структурные недостатки в чем-то, это приведено в беспорядок?»Дабы отыскать связь между на вид разрозненными хаотичными материалами, междисциплинарное сотрудничество между исследователями Пенна в Школе Наук и Искусств и Школе Технических прикладной науки и наук с экспертными знаниями в разных материалах изучило беспрецедентный диапазон хаотичных жёстких частиц с учредительными частицами в пределах от отдельных атомов к речным горам. Познание неудачи материалов на фундаментальном уровне имело возможность проложить путь к проектированию, больше разрушаются – стойкие очки либо предсказание геологических явлений как оползни.В работе, размещённой в Науке, исследователи Пенна продемонстрировали общности среди этих хаотичных совокупностей, выяснив копию «недостаткам», вовлеченным в прозрачную неудачу материалов.
Эта так называемая «мягкость» в хаотичных совокупностях предвещает расположение недостатков, каковые являются коллекцией частиц, вероятнее, дабы измениться, в то время, когда материал терпит неудачу.Исследователи применяли технику, развитую Дурианом с врачом философии Пенна выпускник Самуэль Шенхольц и врач философии Гарвардского университета выпускник Экин Догус Кубук, оба на данный момент в Гугл Brain; Андреа Лю, доктор наук Хепберна Физики в Школе Пенна Наук и Искусств; и Efthimios Kaxiras, доктор наук Джона Хэсбрука Ван Влека Чистой и Прикладной Физики, Школа Гарварда Технических и прикладных наук.
Лю и Дэниел Джиэнола, тогда учитель в Школе Пенна Отдела Технических наук и Разработки и прикладной науки Материаловедения и сейчас в Калифорнийском университете, Санта-Барбара, привели изучение. Дэниел Стрикленд и Роберт Ивэнкик, оба аспиранта в Пенне, являются первыми авторами, вместе с Кубуком и Шенхольцом.Бумага – кульминация лет изучения, проводимого в Materials Research Science & Engineering Center (MRSEC) Пенна, которая принята Лабораторией для Исследования Структуры Вопроса.
Лю и Роберт Карпик, доктор наук Джона Генри Тоуна и стул в Прикладной Механике и Машиностроении в Пенне были соруководителями интегрированной исследовательской группы MRSEC, сосредоточенной на механике хаотичных упаковок.Дюжина учителей группы, наровне со студентами и постдокторскими исследователями из их лабораторий, содействовала изучению, снабжая эти из 15 экспериментов и моделирований на разных типах хаотичных совокупностей. Частицы в тех совокупностях расположились в размере от атомов углерода, каковые составляют износостойкие покрытия двигателя к пластмассовым сферам размера сантиметра в примерном русле.Применяя машинное обучение, исследователи собрали много количеств, каковые характеризуют меры частиц в каждой совокупности, количества, каковые лично, как имели возможность бы ожидать, не продемонстрируют большое количество.
Существенно, они нашли комбинацию этих количеств, которая коррелирует очень сильно с динамикой. Это произвело микроскопическую структурную собственность, названную мягкостью.
В случае если мягкость известна, поведение хаотичного материала и как, возможно, его учредительные частицы должны перестроить, возможно предсказан.Совокупности, каковые изучили исследователи, перестраивали из-за случайных тепловых колебаний либо к разным видам прикладного напряжения, таким как сжатие либо протяжение.
В любых ситуациях техника трудилась прекрасно, и исследователи смогли угадать с высокой точностью возможность, что совокупности перестроят.Исследователи тогда сравнили свойства через совокупности.
Они нашли, что шкала расстояний, по которой коррелировалась мягкость, была аналогична размеру перестановок либо количеству частиц, каковые перемещаются, в то время, когда неудача происходит. Превосходно, они нашли, что это число практически аналогично во всех этих совокупностях независимо от размера частиц и как они взаимодействуют.«Люди говорили о том, что устанавливает размер локализованных перестановок в хаотичных жёстких частицах в течение 40 лет», сообщил Лю. «Они думали о локализованных недостатках, что звонили, стригут территории преобразования в хаотичных совокупностях, где перестановки, возможно, случатся, но никто не видел это конкретно.
Они не могли угадать заранее, где перестановки, возможно, случатся. С машинным обучением мы говорим, ‘Давайте научим совокупность. Давайте взглянуть на структуры и перестановки и посмотрим, можем ли мы узнать то, что принципиально важно, и после этого применяйте это’.
Это концептуально весьма прямо, но это выясняется весьма сильным».Исследователи кроме этого измерили напряжение урожая, либо как тело возможно искажено, перед тем как это начнет пластично искажать.
Они кроме этого нашли, что напряжение урожая – примерно то же самое для всех хаотичных жёстких частиц по совокупностям, охватывающим 13 порядков величины в их механической жесткости. Для сравнения напряжения урожая для разных прозрачных материалов смогут измениться ста – либо тысяча сгиба.
Сейчас, в то время, когда исследователи продемонстрировали, что, до и около в то время, когда напряжение применено, все эти совокупности выглядят одинаково, следующий ход упрочнения – co-led Дурианом и Паулу Арратиой, учителем машиностроения и примененной механики в Школе Технических прикладной науки и наук. Их цель пребывает в том, дабы пойти вне урожая, где все делается хаосом, и совокупности начинают смотреться очень отличающимися. Некий перелом совокупностей, другие показывают полосы сдвига, и другие, как пена, смогут гладко течь окончательно.
«В то время, когда перестановка происходит, мягкость соседних частиц, все изменение», сообщил Дуриэн, «но, из-за упругих сцеплений дальнего действия, так может мягкость частиц кроме того в полной мере на большом растоянии, как иллюстрировано этими данными. Так перестановка имеет нетривиальный эффект на то, где следующие перестановки, возможно, случатся. В частности, будут соседние перестановки быть поощренными и следовательно продвигать, стригут объединение, либо им будут мешать и следовательно содействовать крутизне?
Мы полагаем, что, осознавая и в конечном итоге руководя сложным сотрудничеством между перестановками, напряжением, и структура – тут определенный количественно мягкостью – есть ключом к улучшающейся крутизне».В случае если исследователи смогут осознать, из-за чего разные совокупности ведут себя по-второму вне урожая, они смогут быть в состоянии руководить мягкостью и как это начинается, в то время, когда это находится в условиях стресса. Это имело возможность привести к более материалам и жёстким покрытиям, таким как более качественные стеклянные экраны для телефонов.
«У хаотичных жёстких частиц имеется большое количество громадных особенностей», сообщил Лю. «Вы имеете возможность вырабатывать их в любую форму, Вы желаете либо создаете поверхности, каковые являются атомарно ровными, что Вы не имеете возможность вправду сделать с прозрачными совокупностями. Но они имеют тенденцию разрушаться легко. В случае если мы можем осознать то, что руководит этим и как не допустить его, то понятия начинают иметь настоящие заявления.
В совершенном случае мы желаем развивать новые, более твёрдые материалы, каковые не являются столь же хрупкими либо не разваливаются как катастрофически».