Роль хрупкости формирующих стекол в переходе к текучести при осцилляционной сдвиге

Почему важно, чтобы стекло не раскалывалось

От экранов смартфонов до металлических деталей в самолётах — многие повседневные технологии опираются на стеклообразные материалы, которые прочны, но подвержены внезапному разрушению. В этом исследовании заглядывают внутрь этих беспорядочных тел и задают простой, но практический вопрос: когда мы многократно изгибаем или встряхиваем их, что определяет, сломаются ли они постепенно или треснут без предупреждения? Авторы показывают, что ответ связан с ключевой характеристикой жидкости, из которой сформировалось стекло, — так называемой хрупкостью, которая связывает то, как течёт жидкость, с тем, как её стеклообразное состояние в конце концов разрушается.

Как уступают беспорядочные твердые тела

В отличие от кристаллов, где атомы упорядочены в регулярные решётки, аморфные тела — такие как металлические стекла, кремнезёмное стекло и многие пластики — имеют беспорядочную внутреннюю структуру. При слабой деформации они упруго возвращаются в исходное состояние. При больших многократных деформациях они начинают перестраиваться через множество мелких необратимых событий и в какой-то момент дают течь. Команда сосредотачивается на осцилляционном сдвиге — контролируемом возвратно-поступательном деформировании, которое позволяет точно зафиксировать момент начала текучести как резкий скачок в энергии или напряжении. Они изучают, как точка текучести зависит от того, насколько хорошо отожжено, или релаксировано, стекло до испытания.

Хрупкое против прочного: два «характера» стекла

Чтобы исследовать это, учёные моделируют широкий набор модельных стекол, включая мягкие сферы, сетечно-формирующий кремнезём, молекулярные стеклообразователи, гранулярные укладки и металлические стекла. Они охватывают широкий спектр хрупкости — меру того, как быстро замедляется течение жидкости при охлаждении. Выясняется, что в плохо отожженных состояниях все стекла ведут себя похоже: по мере увеличения амплитуды деформации стационарная энергия сначала уменьшается, а затем снова растёт при критической деформации, что отмечает текучесть. Ниже этого критического уровня подготовки деформационная граница по сути фиксирована и не зависит от истории образца. Однако при лучшей отжиге образцов появляется расщепление. В хрупких системах критическая деформация сильно растёт с дальнейшим отжигом, тогда как в прочных системах она почти не меняется, несмотря на широкие различия в микроскопических взаимодействиях от модели к модели.

От плавного течения к резким полосам

То, как напряжение накапливается и затем падает при текучести, также отражает это разделение. Прочные стекла сохраняют относительно плавный, пластичный отклик с умеренными падениями напряжения и широкими, расплывчатыми зонами деформации. Хрупкие стекла, напротив, демонстрируют большие внезапные сбросы напряжения, которые усиливаются с отжигом и сопровождаются узкими, резко локализованными сдвиговыми полосами, где сосредоточено основное движение. Авторы отслеживают, сколько циклов нагрузки требуется материалу, чтобы установиться в повторяемом состоянии, и сколько пластических перестроек происходит по пути. Прочные стекла требуют больше циклов и проходят через больше таких перестроек, чем хрупкие при сопоставимых условиях, однако во всех системах время достижения стационарного поведения подчиняется той же простой степенной зависимости от числа пластических событий, что указывает на общую фундаментальную механику.

Простая модель, воспроизводящая тренды

Чтобы понять эти разнообразные результаты, авторы строят среднепольную эластопластичную модель, которая рассматривает материал как множество независимых мезоскопических блоков, каждый из которых находится в локальном энергетическом ландшафте. Ключевой ингредиент — то, как средний энергетический барьер для перестроек растёт по мере улучшения отжига стекла. В хрупких системах эти барьеры резко увеличиваются с отжигом; в прочных системах они растут лишь умеренно и затем насыщаются. С этой единственной разницей модель воспроизводит контрастные диаграммы текучести, изменение порога деформации и различающиеся временные масштабы для прочных и хрупких стекол. Подставляя значения барьеров, извлечённые из отдельных данных о времени релаксации, модель даже предсказывает, как критическая деформация плохо отожжённого стекла коррелирует с барьерами при высоких температурах и температурой стеклования.

Что это значит для более прочных материалов

Для неспециалистов главный вывод таков: то, как стеклообразный материал разрушается при многократной нагрузке, уже закодировано в том, как течёт его исходная жидкость. Жидкости, течение которых резко замедляется при охлаждении, дают стекла, порог деформации и хрупкость которых сильно зависят от аккуратности подготовки, тогда как «прочные» жидкости формируют стекла с надёжным поведенческим ответом при нагрузке. Связывая эти механические свойства с энергетическими барьерами, которые можно вывести из измерений в жидком состоянии, работа указывает путь к предсказанию и настройке свойств отказа аморфных тел — от металлических стекол до молекулярных и гранулярных материалов.

Цитирование: Chatterjee, R., Adhikari, M. & Karmakar, S. Role of fragility of the glass formers in the yielding transition under oscillatory shear. Nat Commun 17, 4506 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71157-w

Ключевые слова: аморфные твердые тела, металлическое стекло, высвобождение (yielding), осцилляционный сдвиг, хрупкость стекла