东京都立大学的科学家创建了一种无序材料的新模型，用于研究非晶材料如何抵抗压力。他们将原子和分子群视为具有不同柔软度的软球体。

将他们的模型置于负载下，他们发现较硬的区域和力集中的区域之间存在意想不到的差异，这些区域之间的区域“硬化”，产生拉长的“力链”。他们的发现发表在科学报告中，为设计更好的材料提供了新的见解。

当谈到建造硬质材料时，仅使用硬质成分是不够的。例如，当混凝土在地震中失效时，产生的力会集中在某些地方，导致裂缝形成。已知力通过混凝土和水泥等无定形固体的传递遵循被称为“力链”的明确定义的路径。

破译它们是如何出现的，对于理解这些固体在压力下的行为有很大帮助，但目前尚不清楚它们是如何出现的，以及它们与材料特性的关系。

这启发了东京都立大学栗田教授领导的研究小组建立了简单、易处理的非晶材料模型，这可能会告诉我们力链是如何形成的。他们不是简单地模拟某些材料中所有原子的运动，而是决定用不同刚度的球体来表示原子组，反映这些组对力的反应。

以不同方式排列的原子或分子团可以用具有一定有效刚度的单个软珠来近似。图片来源：东京都立大学

然后，他们研究的材料的特征是刚度随空间变化的程度，以及硬区域和软区域的模式有多宽。

他们首先对软颗粒阵列进行变形，研究局部刚度是否与力链传递相关。最初，较硬的区域和力链之间似乎存在明显的相关性。然而，进一步的分析表明，力链的形状更像是绳子，并且与孤立的硬区域的相关性不太好。

为了理解这种差异，研究小组研究了一个更简单的模型，该模型由两个刚性区域被一个较软的区域隔开，发现较软的区域变得更密集，产生保持链条运转所需的强大力量。这是对力链如何连接的基本机制的初步了解。

但这些变化如何影响材料的性能呢?事实证明，较大的软度变化和更宽的软/硬区域都会导致材料始终更软，局部密度的较大变化也是如此。我们可以得出的结论是，即使使用相同的构建块，由于力链的分布更均匀，具有更均匀刚度的非晶材料也会提供更硬的材料。

虽然真实材料中刚度变化的出现尚未被探索，但该团队希望他们的新模型和机制为设计原则铺平道路，以制造更好的材料。

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