Стекло, которое крепчает на лету экспресс
Тонкая трещина бежит по стеклу. На первый взгляд, линия разлома просто отражает хрупкость материала. Но если заглянуть на уровень атомов, картина усложняется: стекло начинает сопротивляться иначе, когда трещина ускоряется.
С помощью компьютерной модели, имитирующей поведение каждого атома в кварцевом стекле, исследователи проследили, как меняется энергия разрушения (та работа, которую нужно затратить, чтобы разорвать связи и создать новую поверхность). Оказалось, что при скоростях ниже порога ветвления — момента, когда трещина разбегается на множество рукавов, — эта энергия может подскочить на 33 %. Раньше считалось, что рост энергии связан только с тем, что излом становится шершавым и его реальная площадь увеличивается. Но модель показала: примерно половина прибавки вызвана тем, что на наноуровне сама поверхность становится иной — атомы перестраиваются так, что разорвать их связи труднее.
Этот результат означает, что энергия разрушения — не табличная константа вроде температуры плавления. Она зависит от того, как именно материал ломается. Для инженеров это подсказка: чтобы точнее предсказывать, когда и как разрушится стеклянная деталь, нужно учитывать не только микротрещины, но и скорость их роста. А для физики твёрдого тела — ещё один шаг к пониманию того, как беспорядок на атомном уровне управляет макроскопической прочностью.
Трещина, которая поначалу казалась просто линией слабости, на деле раскрывает сложную жизнь атомов. Ускоряясь, она заставляет стекло перестраиваться — и становиться крепче прямо на пути разлома.
Кварцевое стекло, которое моделировали в этой работе, состоит из тех же молекул диоксида кремния, что и обычный песок, но атомы в нём не выстроены в строгую кристаллическую решётку — отсюда и прозрачность, и хрупкость.
В романе «Ложная слепота» Питера Уоттса инопланетный корабль сделан из материала, который сам меняет структуру под нагрузкой — почти как стекло из этого исследования.