Используя плоскогубцы в каждой руке и постепенно натягивая кусок стекловолокна, покрытого пластиком, доцент Айман Абурадди обнаружил, что произошло нечто неожиданное и никогда ранее не задокументированное — внутреннее волокно упорядоченно фрагментировалось.«То, что мы ожидали увидеть, — это НЕ то, что произошло», — сказал он. «Хотя мы думали, что основной материал расколется на два больших куска, вместо этого он раскололся на множество кусков одинакового размера».Он назвал эту технику в заголовке статьи в Nature «Мягко ломая меня».
Процесс вытягивания волокон для выравнивания молекул, удерживающих их вместе, известный как холодное вытягивание, был стандартом для массового производства гибких волокон, таких как пластик и нейлон, на протяжении большей части прошлого века.Абурадди и его команда показали, что этот процесс также может быть применим к многослойным материалам, открытие, которое может привести к производству материалов нового поколения с футуристическими атрибутами.«Современные волокна будут стремиться к пределам того, что может выдержать один материал сегодня», — сказал Абурадди.
Например, упаковка материалов с оптическими и механическими свойствами вместе с датчиками, которые могут отслеживать такие жизненно важные показатели, как артериальное давление и частота сердечных сокращений, позволит сделать одежду способной передавать жизненно важные данные в кабинет врача через Интернет.«Способность контролировать разрушение материала имеет решающее значение для разработки компьютеризированных процессов для потенциального производства», — сказал Юаньли Бай, специалист по механике разрушения в Колледже инженерии и информатики UCF.
Около трех лет назад Абурадди связался с Баем, соавтором статьи, и попросил его проанализировать результаты испытаний на самых разных материалах, включая кремний, шелк, золото и даже лед.Он также связался с Робертом С. Хоем, физиком из Университета Южной Флориды, который специализируется на свойствах таких материалов, как стекло и пластик, чтобы лучше понять, что он обнаружил.
Хой сказал, что никогда не видел феномена, который описывал Абурадди, но в ретроспективе это имело большой смысл.По словам Хоя, исследование берет то, что традиционно было проблемой при производстве материалов, и превращает это в актив.«Доктор Абурадди нашел новое применение шейки» — процесса, который происходит, когда холодное волочение вызывает неравномерную деформацию материала, — сказал Хой. «Обычно вы пытаетесь предотвратить образование шеи, но он использовал это, чтобы сделать что-то потенциально революционное».
Явление шейки было открыто несколько десятилетий назад в DuPont и положило начало эпохе текстиля и одежды из синтетических волокон. Абурадди сказал, что холодное волочение — это то, что делает полезными синтетические волокна, такие как нейлон и полиэстер. Хотя части этих волокон по отдельности являются хрупкими, после вытяжки в холодном состоянии волокна становятся более жесткими и становятся полезными в повседневных товарах. Это открытие DuPont в конце 1920-х годов положило начало эре текстиля и одежды из синтетических волокон.
По его словам, только недавно стало возможным изготовление волокон из различных материалов. Это исследование станет центральным элементом программы Министерства обороны США стоимостью 317 миллионов долларов, ориентированной на интеллектуальные волокна, с которыми будут помогать Абурадди и UCF.
По словам Абурадди, Институт инноваций в производстве революционных волокон и текстиля (RFT-MII), возглавляемый Массачусетским технологическим институтом, будет учитывать результаты исследований, опубликованные в газете Nature.Последствия для производства умных материалов будущего огромны.
Контролируя механическую силу, используемую для вытягивания волокна, и, следовательно, контролируя структуру разрыва, можно разработать материалы с настраиваемыми свойствами, позволяющими им взаимодействовать друг с другом и вечными силами, такими как солнце (для сбора энергии) и Интернет, настраиваемыми способами.Соавтор статьи Али П. Гордон, доцент кафедры механики.
Директор отдела исследований в области механики материалов и аэрокосмической техники UCF сказал, что открытие является важным, поскольку оно показывает, что путем тщательного контроля условий нагрузки, передаваемых волокну, можно разработать материалы с индивидуальными характеристиками.«Для сложных систем материалов необходимо стратегически охарактеризовать взаимосвязь« обработка-структура-свойства ». Объединив эксперименты, микроскопию и вычислительную механику, можно глубже понять физические механизмы процесса фрагментации», — сказал Гордон.