跳动城乡网玻璃和凝胶是两种不同类型的固体材料，通常用于各种环境。尽管它们的成分明显不同，但这些不同的材料具有一些相似的特性，例如，它们表现出刚性，没有平移顺序，并且随着时间的推移缓慢转变。
东京大学的研究人员最近着手更好地了解玻璃和凝胶之间的差异，特别关注它们的弹性特性。他们的论文发表在《自然物理学》上，揭示了这两类非晶固体弹性的起源和演变。
“我们的研究始于观察胶体凝胶在老化过程中独特的机械变化，”该论文的资深作者HajimeTanaka告诉Phys.org。“尽管玻璃和凝胶具有与无定形固体相似的特性，例如无序的刚性和老化过程中动力学的减慢，但我们发现了一些意想不到的东西。
“在研究胶体凝胶的弹性模量如何随时间变化时，我们发现了一个令人惊讶的趋势：凝胶并没有像玻璃一样随着时间的推移而变得更硬，而是在较长的老化期(2μm胶体颗粒大约两个月)后实际上软化了。”
在之前的研究中，田中和他的合作者收集了一些发现，这些发现挑战了非晶固体如何随时间演化的现有观念。具体来说，他们的研究发现，这些类型的固体的老化动力学并不总是导致刚度增加。
田中解释说：“这一意外发现让我们对透视 和凝胶之间的差异以及造成它们的原因感到好奇。”“因此，我们的研究旨在揭示玻璃和凝胶独特的弹性特性，并了解其背后的原因。我们还想了解结构和动力学之间的关系如何影响无定形固体的机械特性。”
为了研究胶体玻璃和凝胶的弹性特性，研究人员进行了三维(3D)朗之万动力学模拟。这些模拟使他们能够模拟以排斥粒子为特征的胶体玻璃和以吸引粒子为特征的胶体凝胶。
该论文的第一作者王银桥说：“我们通过将两个系统从平衡状态快速转变为非平衡状态来研究它们的老化过程。”“为了模拟实验条件，我们首先允许两个系统中的颗粒在液态下达到平衡。然后，我们迅速将堆积分数提高到玻璃化转变阈值以上，以形成胶体玻璃。相反，对于胶体凝胶，我们迅速将温度降低到远低于气液分相温度。"
当他们观察两个模型系统的老化过程时，研究人员仔细监测了它们弹性的演变，同时也考虑了热波动。这是通过使用小幅度振荡变形或直接求解Hessian矩阵来完成的。
“同时，我们分析了振动动力学和结构的变化，包括玻璃中的取向序参数和Voronoi各向异性，以及凝胶中粒子和网络尺度的连通性，”田中解释道。“我们的结果强调了非平衡无序系统中结构、动力学(热波动)和弹性特性之间复杂的相互作用，重点关注两种典型的无定形固体：胶体玻璃和凝胶，”
田中和他的同事发现，虽然玻璃和凝胶与非平衡无定形固体具有一些相似的特性，但它们的弹性特性却明显不同。他们的论文还阐明了这两类系统各自行为背后的一些独特机制。
田中说：“我们的工作不仅为基础非平衡物理学提供了宝贵的见解，而且对材料科学也具有重大影响。”“它为区分玻璃和凝胶提供了物理基础，特别是在具有挑战性的情况下，例如合成锂皂石悬浮液的非遍历状态。”
该研究小组最近的工作有助于理解胶体玻璃和凝胶中弹性的物理过程。它提供的新见解很快就能为具有所需弹性特性的非晶固体的设计和制造提供信息。
田中补充道：“在我们未来的研究中，我们将广泛研究非晶固体的机械性能，包括颗粒材料、排斥/吸引玻璃和凝胶。”“我们的目标是通过系统探索加深对这些复杂无序系统的理解，以揭示它们在各种材料系统中的潜在机制和影响。”
