Aktive Teilchen könnten stabile Gläser stärker machen, ohne dass sie katastrophal spröde werden

Aktive Partikel, die in ein glasähnliches Material eingebettet sind, könnten seine Festigkeit erheblich erhöhen und seine Tendenz zu katastrophalen Bruchen verringern, so eine neue Studie unter der Leitung von Wissenschaftlern des Tata Institute of Fundamental Research (TIFR) in Hyderabad, Indien, in Zusammenarbeit mit Forschern der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf, Deutschland. Die Studie legt nahe, dass die Einführung von selbstfahrenden Partikeln, Partikeln, die sich aufgrund interner Energiequellen bewegen können, in ein Glas während der Verformung seine mechanische Reaktion verändern könnte, so dass es größeren Belastungen standhalten kann, ohne abrupt zu versagen.

Glas, einschließlich hochstabiler amorpher Feststoffe wie Massenglas und konstruierter Metamaterialien, ist für seine außergewöhnliche Festigkeit, aber auch für seine Sprödigkeit bekannt. Bei übermäßiger Belastung neigen diese Materialien dazu, plötzlich zu versagen, wobei sich Schäden in einem schmalen Bereich konzentrieren, der als Scherband bezeichnet wird. Dies führt zu katastrophalen Ausfällen und begrenzt ihre praktischen Anwendungen. Das Forschungsteam untersuchte, ob diese inhärente Sprödigkeit durch Einbeziehung von aktiven Teilchen in die Struktur des Glases während der Verformung gemildert werden könnte. Die Forscher verwendeten Simulationen, um zu modellieren, wie sich ein Glas verhält, wenn es mit einer kleinen Anzahl von selbstfahrenden Teilchen gedoppt wird.

Diese Partikel, ähnlich wie Mikroorganismen oder synthetische Kolloide, bewegen sich autonom und üben Kräfte auf ihre Umgebung aus. Ihre Anwesenheit veränderte die mechanischen Eigenschaften des Glases auf unerwartete Weise. Statt einen scharfen, spröden Ausfallmodus zu zeigen, zeigte das Material eine allmählichere, verteilte Reaktion.

Die Partikel beeinflussten, wie sich Scherbänder bildeten und durch das Material verbreiteten. Statt eine einzelne, lokalisierte Zone intensiver Verformung zu bilden, verbreitete sich der Fehlprozess über ein Netzwerk kleinerer, miteinander verbundener Bänder. Diese Umverteilung der Belastung ermöglichte es dem Material, höhere Lasten ohne sofortigen Bruch aufrechtzuerhalten. Der zugrunde liegende Mechanismus beinhaltet ein dynamisches Zusammenspiel zwischen den Zeitskalen der Scherverformung, der Partikelbewegung und der Scherbandverbreitung. Die Forscher fanden heraus, dass die Geschwindigkeit, mit der ein Glas geschoren wird, gegen die Aktivität der eingebetteten Partikel ausgeglichen werden kann.

Durch die Anpassung dieser Parameter kann sich der Ausfallmodus des Materials von brüchig zu duktiler verändern. Diese Entdeckung stellt traditionelle Annahmen über die Beziehung zwischen Stabilität und Festigkeit in Gläsern in Frage und deutet darauf hin, dass die mechanische Reaktion eines Materials auch nach der Vorbereitung modifiziert werden kann. Die Ergebnisse eröffnen neue Wege für die Entwicklung fortschrittlicher Materialien mit verbesserter mechanischer Leistung. Durch die Integration aktiver Partikel in glasartige Systeme könnten Ingenieure Materialien erstellen, die sowohl stark als auch widerstandsfähig sind und komplexe Belastungen ohne Bruch aushalten können.

Die künftige Arbeit wird sich wahrscheinlich auf die experimentelle Validierung dieser Ergebnisse und die Erforschung der weiteren Auswirkungen auf die Materialwissenschaft und -technik konzentrieren.