Результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences 27 сентября, явились результатом экспериментов и компьютерных симуляций, в ходе которых исследователи изучали влияние изменения жесткости материала. Используя как моделирование, так и искусственные структуры, называемые метаматериалами, они обнаружили, что разрушение материала можно непрерывно настраивать путем изменения его внутренней жесткости.
«Это исследование предполагает, что существует новая ось, которую можно изучить и, возможно, использовать для определения того, как материалы выходят из строя», — сказал Сидни Р. Нагель, заслуженный профессор физики Штайн-Фрейлер и соавтор статьи. «На данный момент это только предположение, но эта работа может позволить найти лучшие способы создания материалов, способных выдерживать определенные типы ударов без катастрофических отказов».Исследование пришло к выводу, что по мере приближения твердого тела к определенному уровню жесткости его поведение при разрушении кардинально меняется, а характер разрушения кардинально меняется при высокой и низкой жесткости. Систематическое изучение и контроль над этим позволит ученым лучше понять, как материалы разрушаются.Когда система жесткая, такая как оконное стекло, ее соединения плотно упакованы и ломаются, образуя чистые, узкие и относительно прямые трещины.
Однако, когда система гибкая с низкой жесткостью, у нее меньше связей, и эти связи сначала разрываются в кажущихся случайными местах по всему материалу. В конце концов рвется так много скрепок, что разрывы соединяются по неправильной схеме и разрушают материал.Исследователи также обнаружили, что по мере того, как материал становится более гибким, зона его разрушения становится шире, что дает ученым лучшее представление о том, что происходит.
Вместо того, чтобы изучать материалы в микроскопическом масштабе, исследователи могут сделать их менее жесткими, по сути взорвав область растрескивания.«Уменьшение жесткости материала в некотором смысле похоже на удержание увеличительного стекла, которое позволяет увеличивать ширину трещины, которая обычно микроскопическая, но может достигать размера образца», — сказал соавтор.
Винченцо Вителли, физик из Института Лоренца при Лейденском университете в Нидерландах.Ученые, знакомые с результатами исследования, заявили, что эта статья дает более широкое понимание причин разрушения материалов и открывает новые области исследований, в том числе то, как можно контролировать растрескивание и разрушение.
Исследователи «связывают открытия о различных типах трещин — узкие, чистые трещины и широко распространенные трещины — в единую картину, которая объясняет их как разные пределы: жесткие материалы, с одной стороны, и материалы с низкой жесткостью, с другой», сказала Карин Дамен, профессор физики из Университета Иллинойса в Урбана Шампейн, которая не участвовала в исследовании. «Это исследование послужит поводом для многих последующих исследований, потому что оно дает нам контроль, а также мощное единое понимание пространственной протяженности трещин во многих различных материалах».Джеймс Сетна, профессор физики Корнельского университета, согласен. «Систематическая теория, на которую здесь намекают, может позволить нам спрогнозировать повреждение вокруг трещины, напряжения, извилистость и, что наиболее важно, то, как все эти факторы могут изменяться при изменении способа изготовления материала», — сказал Сетна. которые также не участвовали в исследовании. «Метод проб и ошибок можно заменить красивым систематическим подходом».