Активные частицы делают стекло менее хрупким 25.08.2026

Стекло обладает замечательным сочетанием твердости, прочности и химической стабильности, однако у этих достоинств есть серьезный недостаток. В отличие от многих более пластичных материалов, оно способно разрушаться практически мгновенно, когда нагрузка превышает определенный предел. Теперь ученые предложили необычный способ изменить такое поведение: добавить в материал небольшое количество частиц, способных самостоятельно перемещаться и воздействовать на окружающую структуру.

Исследование провела команда Рашми Прии (Rashmi Priya) и Смараджита Кармакара (Smarajit Karmakar) из Института фундаментальных исследований Тата в Гайдерабаде совместно с Юргеном Горбахом из Университета Гайнриха Гайне в Дюссельдорфе. В компьютерных моделях ученые показали, что активные частицы способны изменить характер деформации стекла. Вместо образования одной мощной сдвиговой полосы, которая быстро распространяется через весь образец, возникают многочисленные небольшие области перестройки, распределенные по материалу.

Чтобы понять значение этого результата, необходимо учитывать особенности внутреннего устройства стекла. В отличие от кристаллов, его частицы не образуют регулярной периодической решетки. Они остаются в беспорядочной конфигурации, которая формируется еще в жидком состоянии и затем как бы "замораживается". Если расплав охлаждать медленно или позволить материалу долго стареть, он переходит в более глубокое энергетически устойчивое состояние. Такое стекло способно выдерживать большие нагрузки, но именно высокая стабильность делает его склонным к внезапному разрушению. Быстро охлажденный материал оказывается менее устойчивым, зато способен деформироваться более пластично.

Особенно хорошо различие проявляется при сдвиговой нагрузке, когда одна часть образца остается неподвижной, а другая перемещается относительно нее. В стабильном стекле частицы долго сопротивляются перестройке, пока напряжение не достигнет высокого предела. После этого возникает узкая область интенсивного движения, известная как сдвиговая полоса. Если она проходит через весь образец, напряжение резко падает и происходит практически мгновенный излом. Менее стабильное стекло способно перераспределять деформацию между большим количеством участков, поэтому оно ведет себя пластичнее, хотя и начинает разрушаться при меньшей нагрузке.

Исследователи решили проверить, можно ли получить преимущества обоих состояний одновременно, изменяя поведение уже сформированного стекла. Для этого в модели добавляли небольшое количество активных частиц, постоянно оказывающих направленное воздействие на соседние частицы. Направление движения при этом периодически менялось. В реальных материалах подобными элементами потенциально могут служить микроорганизмы, коллоидные частицы с химическими двигателями или искусственные частицы, приводимые в движение светом либо химическими реакциями.

Выяснилось, что результат определяется не только силой, с которой перемещаются активные частицы, но и продолжительностью их движения в одном направлении. При коротком времени настойчивости частица не успевает далеко уйти от своего первоначального положения и многократно воздействует на окружающую структуру. Такие локальные возмущения мешают одной сдвиговой полосе развиваться непрерывно. В результате деформация распределяется между множеством небольших участков, а стекло сохраняет высокую способность сопротивляться нагрузке, но разрушается менее резко. Иными словами, активные частицы не столько устраняют повреждения, сколько не позволяют им собраться в одном критическом месте.

При слишком длительном сохранении одного направления эффект меняется. Активная частица получает возможность преодолеть локальное окружение и вызвать более масштабную перестройку структуры. Материал становится более подвижным и легче деформируется, поэтому преимущество, связанное с его первоначальной стабильностью, постепенно исчезает. Таким образом, моделирование обнаружило немонотонную зависимость: короткие и быстро меняющиеся активные воздействия способны сделать поведение стекла более устойчивым, тогда как продолжительное направленное движение, наоборот, облегчает его текучесть. Важна не просто величина силы, а ее соотношение с внутренними временными процессами материала.

Интересно, что активность способна взаимодействовать и со скоростью внешней деформации. Исследователи показали, что поведение материала определяется сразу несколькими временными масштабами: скоростью сдвига, временем настойчивости активных частиц и временем, необходимым для распространения сдвиговой полосы. При определенных условиях быстро деформируемое стекло со слабой активностью может вести себя подобно медленно деформируемому стеклу с более выраженной активностью. Похожие результаты получили и при моделировании ползучести: в некоторых режимах активные частицы откладывали начало устойчивого течения и снижали скорость накопления деформации под постоянной нагрузкой.

Пока эти результаты существуют только на уровне теоретического и компьютерного моделирования, поэтому следующим этапом должна стать экспериментальная проверка. Одним из возможных вариантов ученые считают коллоидные системы с фотоуправляемыми активными частицами, у которых интенсивность движения и время его сохранения можно регулировать с помощью света. Подобный подход потенциально может найти применение в активных суспензиях, мягких композитах, густых коллоидных системах и даже при изучении биологических тканей, где внутренние процессы также способны влиять на реакцию материала на механическую нагрузку.