Кооперативное движение атомов при сдвиговой деформации в металлическом стекле

Почему этот скрытый атомный танец важен

Когда мы сгибаем скрепку или тянем пластиковую деталь, мы видим плавное движение, а не суматоху триллионов атомов внизу. Для стеклообразных металлов — металлических стекол, применяемых от спортивного инвентаря до миниатюрных устройств — это невидимое движение долго оставалось особенно загадочным, потому что их атомы расположены без регулярной кристаллической решётки. В этом исследовании авторы заглядывают за кулисы с помощью суперкомпьютерных симуляций и хитрого «машинного» приёма во времени, показывая, что именно небольшие группы атомов, двигающиеся сообща, а не постоянные дефекты, на самом деле управляют тем, как эти материалы изгибаются, текут и иногда внезапно разрушаются.

Другой тип металла

Большинство знакомых вам металлов кристаллические: их атомы сидят в повторяющихся, упорядоченных схемах. В таких материалах деформация преимущественно осуществляется дефектами, называемыми дислокациями, которые скользят по решётке как небольшие коврики, тащимые по полу. Металлические стекла иные. Они заморожены в беспорядочном, стеклообразном состоянии, скорее как металлическая жидкость, внезапно остановленная в вихре. Удивительно, но хотя их внутренняя структура кажется случайной, многие металлические стекла демонстрируют похожую механическую прочность и поведение при разрушении независимо от способа изготовления. Эта загадочная универсальность намекает, что привычная картина — в которой прочность задаётся постоянными структурными дефектами — здесь может не работать.

Поиск крошечных команд атомов

Исследователи часто говорят о «зонах сдвиговой трансформации» (STZ), крошечных областях, где атомы коллективно перестраиваются при сдвиге металлического стекла. До сих пор эти зоны выявляли, глядя на последствия события деформации — куда сильно сдвинулись атомы или где резко изменилось локальное напряжение — и затем делая выводы о том, какие атомы были вовлечены. Такой подход расплывчат: разные пороги дают разные размеры зон, и трудно отличить причину от следствия. В этой работе авторы вместо этого используют атермальную квази‑статическую имитацию сдвига и вводят новый «анализ с замороженными атомами». Сначала они обнаруживают событие падения напряжения в симуляции, перематывают назад до момента непосредственно перед ним и затем многократно повторяют релаксацию, каждый раз искусственно замораживая движение одного атома. Если заморозка конкретного атома предотвращает событие, этому атому приписывают ключевую роль в кооперативной группе — «ядре» STZ. Повторяя процедуру для каждого атома, они однозначно выявляют минимальный кластер, чьё скоординированное движение запускает деформацию.

Группы‑триггеры, а не встроенные слабые места

Анализ с замороженными атомами показывает, что каждое событие деформации контролируется компактным ядром из десятков атомов — в среднем около 40, иногда чуть более 100 — которые должны двигаться совместно, чтобы напряжение расслабилось. Эти ядра разбросаны по всему материалу и редко повторяются в одном и том же месте. Когда авторы исследовали атомную структуру и жёсткость этих атомов‑ядра до приложения сдвига, они не обнаружили в них особых признаков: их локальная геометрическая среда, описываемая методом Вороного, и локальный модуль сдвига не отличались от остальных атомов. Иначе говоря, атомы, которые впоследствии сформируют триггер‑группу, не сидят в очевидных «мягких» местах или идентифицируемых дефектах в ненарушенном стекле. Любая область в принципе может стать триггером, если поля напряжений и деформаций сложатся подходящим образом.

От локальных триггеров к лавинам

Симуляции также отслеживают, как эти триггер‑группы взаимодействуют с окружением во время падения напряжения. Внутри ядра STZ некоторые атомы меняют своих соседей по связям — события, которые авторы называют локальными конфигурационными возбуждениями. Эти перестановки связей заставляют окружающие атомы двигаться неравномерно, или неаффинно. В нескольких случаях это локальное возмущение затем активирует соседние ядра STZ, порождая каскад событий. В результате возникает «лавина» пластической деформации: маленький, трудно предсказуемый триггер может распространиться в гораздо более крупную перестройку. Интересно, что величина падения напряжения подчиняется широкой, напоминающей степенной закон, распределению, в то время как число атомов в ядре плотно сконцентрировано и не пропорционально напрямую выделенному напряжению. Это означает, что большие лавины не возникают из гигантских ядер; они возникают из того, сколько ядер срабатывает последовательно.

Переосмысление механизмов разрушения стеклообразных материалов

Для неспециалиста ключевой вывод таков: в металлических стеклах разрушение не определяется заранее существующими дефектами, вырезанными в структуре, как во многих кристаллах. Вместо этого ответ материала контролируют небольшие временные команды атомов, которые упруго сцепляются, движутся кооперативно и затем растворяются после завершения события. Эти триггер‑группы могут возникать почти в любом месте и иногда подталкивать друг друга к действию, вызывая внезапные, похожие на лавины, сдвиги. Признание кооперативного атомного движения истинным «переключателем» деформации помогает объяснить, почему разные металлические стекла ведут себя похоже, и связывает их поведение с другими системами — например, землетрясениями или гранулярными потоками — где маленькие триггеры могут привести к большим событиям.

Цитирование: Shiihara, Y., Iwashita, T., Adachi, N. et al. Cooperative atomic motion during shear deformation in metallic glass. Nat Commun 17, 1604 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68308-4

Ключевые слова: металлическое стекло, зоны сдвиговой трансформации, кооперативное движение атомов, пластическая деформация, динамика лавин