Poslednji put kada ste ispustili omiljenu šolju ili seli na naočare, možda ste bili previše zaokupljeni da biste mnogo primetili zamršeni obrazac pukotina koje su se pojavile na slomljenom predmetu. Ali hvatanje formiranja takvih obrazaca je specijalnost Džona Kolinskog i njegovog tima u Laboratoriji za inženjersku mehaniku mekih interfejsa (EMSI) u EPFL-ovoj školi inženjeringa.
Cilj im je da shvate kako se pukotine šire u krhkim čvrstim materijama, što je neophodno za razvoj i testiranje sigurnih i isplativih kompozitnih materijala za upotrebu u građevinarstvu, sportu i vazduhoplovstvu.
Ali tradicionalni mehanički pristupi analiziranju formiranja pukotina pretpostavljaju da su pukotine ravne, tj. da se formiraju na dvodimenzionalnoj površini materijala. U stvari, jednostavne planarne pukotine su samo vrh ledenog brega: većina pukotina — poput onih u svakodnevnim krhkim čvrstim materijama poput stakla — šire se u trodimenzionalne mreže grebena i drugih složenih karakteristika.
Zbog neprozirnosti materijala i brzine formiranja pukotina, posmatranje ove složenosti u realnom vremenu je izuzetno teško. Ali sada, naoružani švajcarskim nožem i konfokalnim mikroskopom, Kolinski i njegov tim su uspeli da urade upravo to – i otkrili su pozitivnu korelaciju između složenosti pukotina i čvrstoće materijala u tom procesu.
„Energija potrebna za pokretanje pukotina tradicionalno se smatra svojstvom materijala, ali naš rad daje jedinstven uvid u ključnu ulogu geometrije: naime, da povećanjem složenosti geometrijskih karakteristika na vrhu pukotine, materijal može biti efektivno čvršći. , jer je za napredovanje složene pukotine potrebno više energije deformacije nego jednostavne“, kaže Kolinski. „Ovo naglašava važan jaz u trenutnoj teoriji za 3D pukotine.“
Rezultati laboratorije su nedavno objavljeni u Nature Phisics.
Osnovna veza između dužine i snage
Metoda istraživača uključivala je stvaranje veoma tankih kriški od četiri različita hidrogela i elastomera. Prozirni i krhki, ali laki za deformisanje i merenje bez razbijanja, hidrogelovi su služili kao zamena za razumevanje kako se nastaju pukotine u staklu i lomljivoj plastici. Elastomer je takođe bio zamenik za materijale poput gume i silikonskih polimera.
Dok su eksperimentalne pukotine primećene sa najsavremenijim konfokalnim mikroskopom, one su indukovane korišćenjem standardnog švajcarskog vojnog noža: smicanje makaza uređaja je prirodno proizvelo geometrijski složene pukotine u uzorcima hidrogela.
Koristeći prilagođeni aparat koji je razvio EMSI tim za kontrolu poravnanja uzorka i punjenja, serija fluorescentnih slika je generisana pomoću konfokalnog mikroskopa, a zatim naslagana da se sastavi jedinstvena, trodimenzionalna mapa svake površine preloma.
„Ljudi već dugo znaju da pukotine mogu postati složene gledanjem na površine loma naknadno, ali ono što se gubi je razumevanje uslova opterećenja kada se pukotina pojavila, ili kojim silama je uzorak bio izložen“, objašnjava Kolinski. „Naš inovativni metod snimanja omogućio je da se ovaj odnos rigorozno karakteriše na licu mesta.
Ukratko, ovi eksperimenti su otkrili da je energija deformacije potrebna za pokretanje pukotina u uzorku direktno proporcionalna dužini vrhova pukotina. Ovo sugeriše da povećana geometrijska složenost 3D pukotine generiše više površine loma kako pukotina napreduje, što zahteva dodatnu energiju naprezanja za njeno pokretanje.
U drugom eksperimentu, istraživači su pokazali kako, kako se glatkija pukotina približava krutoj prepreci ugrađenoj u uzorak, ravanska simetrija pukotine je narušena, povećavajući i dužinu vrha pukotine i energiju potrebnu za pokretanje pukotine napred.
„Činjenica da možemo izolovati kako se geometrijska složenost pojavljuje sa takvom nehomogenošću u materijalu mogla bi motivisati nove pristupe dizajnu“, kaže Kolinski. „Naš rad takođe naglašava važnost pažnje u sprovođenju ispitivanja materijala, jer sada znamo da svako geometrijsko odstupanje od fronta ravnine pukotine može dovesti do pogrešnog merenja — i potencijalno opasnog precenjivanja — žilavosti materijala.
