Det, der ikke knækker dem, gør dem stærkere

Det, der ikke dræber os, gør os stærkere, ifølge filosof Friedrich Nietzsche. Hvem ville have troet, at en lignende forestilling kunne gælde for materialer?

"Grunden til at beton er så stærk, er fordi den er så svag, "siger professor Alex Hansen, leder af PoreLab, et Center of Excellence for fremragende forskning ved det norske universitet for videnskab og teknologi (NTNU) og universitetet i Oslo (UiO).

Forskere på PoreLab arbejder mest med porøse materialer som beton, og i deres verden, den slags kan ske. Blandt andet, forskerne overvejer, hvad der sker i materialer udsat for stress, og nogle af deres fund er lidt uventede.

Hvorfor, for eksempel, fungerer beton på denne måde? Beton ser kompakt ud, men den er faktisk fuld af små huller. Disse huller gør materialet stærkere. Professor Hansen starter med det grundlæggende:

"Når du får en revne i din bils forrude, du kan stoppe den revne fra at sprede sig ved at bore et hul i den, "siger han. En ubehandlet revne har en høj koncentration af kraft i spidsen af ​​revnen. Hvis du borer et hul på dette tidspunkt, kraften breder sig i stedet rundt om hullet og reducerer trykket på glasset.

Noget lignende forekommer i den porøse beton. Hvis der er en revne i betonen, kraften fordeles i hele materialet på grund af alle hullerne. Folk har kendt til disse kraftmekanismer i hvert fald siden middelalderen. Byggerne af Kristiansten -fæstningen i Trondheim i 1600 -tallet lagde rester af døde dyr i materialet. Da dyrene rådnede og udsendte gasser, de gjorde materialet porøst og dermed stærkere.

Men dette forklarer ikke, hvorfor materialer kan blive endnu stærkere under belastning. Ideen flyver over for intuition - burde materialet ikke blive svagere i stedet? Hvad sker der?

Doktorand Jonas Tøgersen Kjellstadli fra NTNUs Institut for Fysik kan forklare processen. Han har samarbejdet med Hansen, forsker Srutarshi Pradhan og ph.d. kandidat Eivind Bering - også fra samme afdeling - til at studere fænomenet. "De stærke dele af materialet omgiver de svage dele og beskytter dem, ”siger Kjellstadli.

Et materiale som beton er ikke lige stærkt overalt, selvom det kan ligne det. Et tilsyneladende ensartet materiale har svage og stærke zoner. Disse zoner er tilfældigt spredt over det.

I de computermodeller, Kjellstadli brugte, de stærke zoner spredes rundt i materialet. De beskytter de svage zoner, når fibrene udsættes for stressfaktorer. Dette sker i så stærk grad, at materialet stabiliseres og bliver mindre sårbart over for sådanne belastninger.

Denne effekt gælder kun, hvor de stærke og svage zoner er ujævnt fordelt i hele materialet. Og det gælder kun op til en vis tærskel. Materialet bliver konstant stresset til en eller anden maksimal tærskel, hvor en spændings kraft ikke længere kan absorberes. Før eller senere, materialet vil så fejle katastrofalt og pludselig.

Forskerne forestiller sig mulige anvendelser, såvel. Hvad hvis du kunne bruge denne grundlæggende viden til at forudsige, hvornår et materiale vil mislykkes? Hvornår kommer stressen endelig til at blive for meget? "Vi bruger de samme computermodeller, som når vi observerer, at materialer styrkes af belastningen, «siger Hansen.

Til den, de tilføjer praktiske eksperimenter, fortsætter, indtil spændingsbelastningen bliver for stor for materialet.

Hansen har været interesseret i dette emne siden 2000, da han hørte om miner i Sydafrika, der pludselig ville kollapse. At forstå de samme principper kan en dag bruges som hjælpemiddel under tunnelbyggeri, eller at forudsige jordskælv. Disse ideer er stadig spekulative, og deres applikationer ligger i en noget fjern fremtid. Men forskernes ambitioner er høje.

"Vi arbejder på at finde på en generel model for, hvornår katastrofale fejl indtræder, siger Hansen.

Om dette mål overhovedet er muligt, de ved det endnu ikke-men det er præcis den slags højrisikoforskning, PoreLab er blevet anklaget for at udføre. De potentielle gevinster er enorme, hvis de lykkes.

"I vores computermodeller, vi observerer, at materialets elastiske energi når et højdepunkt lige før det fejler, "siger PoreLab -forsker Pradhan. Han har arbejdet specifikt med at forudsige, hvornår et materiale vil knække lige siden han begyndte at studere under professor Bikas K. Chakrabarti ved Saha Institute of Nuclear Physics i Kolkata, Indien i 2000. "Vi mener, at dette har potentiale til at ekspandere til virkelige situationer, "Siger Pradhan.

Måske er deres mål trods alt ikke umuligt.