Nye materialer udviser splittet personlighed

Julia Greer, professor i materialevidenskab, mekanik og medicinsk teknik i Caltechs afdeling for ingeniørvidenskab og anvendt videnskab, skaber materialer ud fra mikro- og nanoskala byggeklodser, der er arrangeret i sofistikerede arkitekturer, der kan være periodiske, som et gitter, eller vilkårlig. Beskrevet som "arkitekterede materialer, " de udviser nogle gange usædvanlige egenskaber. F.eks. Greer har skabt keramik med skumlignende genvindelighed, lette, men ultrastærke stel, der kan hoppe tilbage efter kompression, og mekanisk robuste batterier.

Arbejder med Yong-Wei Zhang fra Institute of High Performance Computing i Singapore, Greer har fastslået, at svigtet af arkitekterede materialer - det punkt, hvor de knækker, når de komprimeres eller strækkes - kan beskrives ved hjælp af klassisk kontinuummekanik, som modellerer et materiales adfærd som en kontinuerlig masse frem for som individuelle (eller "diskrete") partikler.

Denne opdagelse indebærer en dobbelthed i forhold til disse materialers natur - ved at de kan opfattes både som individuelle partikler og også som et enkelt kollektiv. Greer og Zhangs resultater blev annonceret i et papir udgivet af tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer den 13. december.

Arkitekterede materialer er interessante for ingeniører på grund af deres ofte usædvanlige egenskaber, men deres adfærd kan være svær at forudsige. Det er umuligt at vide, hvordan de vil reagere på stress, før de er skabt i et laboratorium og testet. Som sådan, skabelsen af ​​disse materialer har stort set været forsøg og fejl:Forskere ville opfinde nye gitterstrukturer og derefter knuse og strække dem for at se, hvor stærke de var. Selvom denne proces har ført til nogle interessante opdagelser, at kunne forudsige, hvordan et givet gitter vil fungere under pres, inden det rent faktisk bygges, ville gøre det lettere for ingeniører at lave specialbyggede materialer.

Holdet fremstillede et gitter af hule, 50 nanometer tykke aluminiumoxidbjælker, og derefter udførte "fejl"-tests:de satte gitteret under spænding og registrerede, hvornår og hvordan det revnede. Testene viste, at materialet har et styrke-over-densitetsforhold, eller "specifik styrke, "Det er fire gange højere end for noget andet rapporteret materiale til dato.

Vigtigt, fejltestene gjorde det muligt for teamet at skabe en teori for, hvordan arkitektonerede materialer generelt fejler."Denne nye analyse giver os en meget kraftfuld tilgang til at designe nye materialer, der er særligt modstandsdygtige over for beskadigelse og rivning, mens de bevarer en usædvanlig lav vægt, " siger Greer.

At forstå, hvornår og hvordan et materiale fejler, er afgørende, hvis det skal være nyttigt i virkelige applikationer, hvor det aldrig ville blive skubbet ud over fejlpunktet. Sådan information giver mulighed for at skabe nye materialer, der er lettere og stærkere end noget, der endnu er produceret - og som vil mislykkes i enkle, forudsigelige måder. Derimod mange konventionelle (dvs. ikke-arkitekterede) materialer fejler pludseligt og på måder, der kan være svære at forudse og beskrive, siger Greer.

Artiklen har titlen "Discrete-Continuum Duality of Architected Materials:Failure, Fejl, og brud."