建模方法能够在原子水平上来模拟金属玻璃在断裂时的力学行为

金属玻璃又称非晶态合金，它既有金属和玻璃的优点，又克服了它们各自的弊病——如玻璃易碎，没有延展性。金属玻璃的强度高于钢，硬度超过高硬工具钢，且具有一定的韧性和刚性，人们常常赞扬金属玻璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。因此，人们对于它的研究也从未间断，其应用更是广泛，例如人造关节和其他医疗植入装置等。然而，由于一直无法准确预测出这些材料在断裂时究竟释放出多少能量，因此也就大大阻碍了金属玻璃基产品的开发与应用。

最近，来自纽约州特洛伊市伦斯勒理工学院的一组研究人员开发了一种新的方法，能够在原子水平上来模拟金属玻璃在断裂时的力学行为。这种新的建模技术可以改进计算机辅助材料的设计，从而帮助研究人员确定金属玻璃的种种特性。他们的研究成果被发表在了《应用物理学》杂志上。

“众所周知，断裂能是材料的一个重要特性，然而直到现在，仍没有一种可行的方法能够在原子水平上被用来测量金属玻璃的断裂能，”该论文的作者Yunfeng Shi说。

断裂能是一种材料的基本属性。它代表着在固体中每单位面积新生成断裂面所释放出的总能量的大小。“这一性能对于人们了解材料在极端条件下的表现来说是尤为重要的，它可以很好地预测出材料的失效情况，避免重大事故的发生，”该文章的另一作者Binghui Deng说道。

原则上，任何合金都可以通过控制冷却速度等条件制成金属玻璃。为了在特定应用中选择最合适的材料，研究人员需要清楚知道每种合金在压力下的力学行为。

为了了解不同合金在不同条件下的行为，研究人员利用了一种被称为分子动力学的计算工具。这种计算机建模方法计算了虚拟系统中每个原子的受力、位置和速度。

此外，模型的计算也在不断更新，其中就包含有关裂纹在基体中的扩散信息。这种启发式的计算机学习可以通过考虑材料中裂纹等随机变化，来模拟出最接近现实的情况。

他们的模型解释了一种复杂的相互作用，即裂缝形成所消耗的能量与新表面能之间的补偿作用。

“计算机辅助材料的设计已在制造业中发挥了重要的作用，其前景也将是光明的，注定要为人们发现、研究新材料提供更多的便利，” Yunfeng Shi说。