Forskere forudsiger fejl i uordnede materialer

Uordnede materialer - såsom cellulært skum, fiber- og polymernetværk - er populære i applikationer lige fra arkitektur til biomedicinske stilladser. At forudsige, hvornår og hvor disse materialer kan svigte, kan påvirke ikke kun de materialer, der er i brug i øjeblikket, men også fremtidige designs. Forskere fra North Carolina State University og University of California Los Angeles var i stand til at forudsige sandsynlige fejlpunkter i todimensionelle uordnede laserskårne gitter uden at skulle studere detaljerede tilstande af materialet.

Det indre af uordnede materialer er dannet af et netværk af forbindelser mellem slanke bjælker, der skærer hinanden på forskellige punkter - eller knudepunkter - i hele materialet. Deres struktur tillader både kompression og deformation, gør dem i stand til at modstå forskellige former for kraft.

Estelle Berthier, postdoc forsker ved NC State og hovedforfatter på et papir, der beskriver forskningen, sat ud for at afgøre, om det er muligt at forudsige, hvor fejl er størst sandsynlighed for at opstå i et uordnet netværk. Berthier og medforfatter Karen Daniels, professor i fysik ved NC State, genererede gitter baseret på kontaktnetværkene observeret inden for granulære materialer og så på en egenskab kendt som geodætisk edge betweenness centrality (GEBC).

"Vigtigheden af ​​en kant i et netværk er i form af dets evne til at forbinde forskellige dele af netværket ved hjælp af den korteste vej, " siger Berthier. "I vores modelgitter, når du forbinder hver knude på netværket og tager den korteste vej, du bruger en af ​​disse bjælker, eller kanter. Hvis du går meget igennem en bestemt kant, så har den kant høj centralitet. Tænk på at bruge den korteste vej, eller vej, mellem to byer. Centralitetsværdien er den mest populære vej på den korteste vej."

I samarbejde med UCLA-matematiker Mason Porter, forskerne brugte en computeralgoritme til at beregne GEBC for gitteret og fandt ud af, at kanter med en højere centralitetsværdi end gennemsnittet havde størst sandsynlighed for at fejle.

"Hvis du har mere trafik på en bestemt vej, så er der mere slid, " siger Berthier. "På samme måde, en højere centralitetsværdi betyder, at en bestemt vej i materialet håndterer mere krafttrafik, ' og bør overvåges tættere eller måske understøttes på en eller anden måde."

Forskerne fandt ud af, at GEBC-værdierne alene var nok til at identificere fejlsteder i materialet.

"En af de ting, der overraskede mig ved resultaterne, var, at beregningerne ikke kræver, at vi kender nogen af ​​materialernes egenskaber, hvordan delene er blevet forbundet sammen, " siger Daniels. "Selvfølgelig, vi kan gøre forudsigelserne endnu stærkere ved at inkludere information om de fysiske interaktioner i vores beregninger."

Forskningen vises i Proceedings of the National Academy of Sciences og blev støttet af James S. McDonnell Foundation.