Πώς μπορούμε να προβλέψουμε τη μηχανική συμπεριφορά ενός πραγματικού υλικού από τη στιγμιαία κίνηση των ατόμων έως τις αργές παραμορφώσεις του εργαστηρίου; Ερευνητές παρουσίασαν μια θεωρητική προσέγγιση που συνδέει αυτές τις διαφορετικές κλίμακες στο γυάλινο πολυμερές PMMA, συνδέοντας φαινόμενα που απέχουν είκοσι τάξεις μεγέθους στη συχνότητα.
Πώς μπορούμε να προβλέψουμε τη μηχανική συμπεριφορά ενός πραγματικού υλικού από τη στιγμιαία κίνηση των ατόμων έως τις αργές παραμορφώσεις του εργαστηρίου; Ερευνητές παρουσίασαν μια θεωρητική προσέγγιση που συνδέει αυτές τις διαφορετικές κλίμακες στο γυάλινο πολυμερές PMMA, συνδέοντας φαινόμενα που απέχουν είκοσι τάξεις μεγέθους στη συχνότητα.
Η ατομική δομή και οι μη ομοιόμορφες μετατοπίσεις
Τα αινιγματικά πολυμερή δεν διαθέτουν σταθερή δυσκαμψία, καθώς η απόκρισή τους εξαρτάται από την ταχύτητα παραμόρφωσης. Στις υψηλές συχνότητες, οι δεσμοί αντιδρούν ακαριαία, ενώ στις χαμηλές, τα μόρια έχουν χρόνο να αναδιαταχθούν, κάνοντας το υλικό πιο μαλακό. Η θεωρία βασίστηκε στη δυναμική του μη αφινικού πλέγματος. Σε άμορφα υλικά, τα άτομα δεν ακολουθούν ομοιόμορφα τη μακροσκοπική παραμόρφωση, αλλά προβαίνουν σε τοπικές αναδιατάξεις. Αυτές οι μικρές κινήσεις απορροφούν ενέργεια και οδηγούν σε μαλακότερη συμπεριφορά του υλικού.
Η σημασία της μνήμης στο μοντέλο
Για την κάλυψη μεγάλων χρονικών κλιμάκων, η θεωρία ενσωμάτωσε την έννοια της μνήμης. Σε αντίθεση με απλά συστήματα τριβής, τα γυάλινα πολυμερή διατηρούν πληροφορίες από προηγούμενες καταστάσεις. Εισάγοντας έναν πυρήνα μνήμης στις εξισώσεις, οι επιστήμονες υπολόγισαν το μέτρο διάτμησης από συχνότητες άνω του terahertz έως το επίπεδο του millihertz.
Μια ενιαία εικόνα για τη συμπεριφορά των υλικών
Τα αποτελέσματα συμφωνούν με προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής στις υψηλές συχνότητες, με μετρήσεις σκέδασης φωτός Brillouin στις μέσες και με δυναμική μηχανική ανάλυση στις χαμηλές συχνότητες. Η μέθοδος καταγράφει από τις δονήσεις δεσμών άνθρακα-οξυγόνου έως τη δευτερεύουσα χαλάρωση β σε χαμηλές συχνότητες. Αυτή η προσέγγιση αποδεικνύει ότι οι ατομικές κινήσεις και τα εργαστηριακά πειράματα δεν περιγράφουν δύο ξεχωριστούς κόσμους, αλλά αποτελούν μέρη του ίδιου μηχανικού φάσματος.