Den hemmelige styrke ved gnidning af tænder

Tændernes styrke er angivet på skalaen millimeter. Porcelænssmil er lidt ligesom keramik - bortset fra at mens porcelænstallerkener knuses, når de smadres mod hinanden, vores tænder ikke, og det er fordi de er fulde af fejl.

Disse fejl er, hvad der inspirerede det seneste papir ledet af Susanta Ghosh, adjunkt i Institut for Maskinteknik-Ingeniørmekanik. Forskningen udkom for nylig i tidsskriftet Mechanics of Materials. Sammen med et team af dedikerede kandidatstuderende - Upendra Yadav, Mark Coldren og Praveen Bulusu - og maskintekniker Trisha Sain, Ghosh undersøgte, hvad der kaldes mikroarkitekturen af ​​sprøde materialer som glas og keramik.

"Siden alkymistenes tid har folk forsøgt at skabe nye materialer, "Sagde Ghosh." Det, de gjorde, var på kemisk niveau, og vi arbejder i mikroskalaen. At ændre geometrier-mikroarkitekturen-for et materiale er et nyt paradigme og åbner mange nye muligheder, fordi vi arbejder med velkendte materialer. "

Splintfast glas

Stærkere glas bringer os tilbage til tænderne - og muslingeskaller. På mikroniveau, de primære hårde og sprøde komponenter i tænder og skaller har svage grænseflader eller defekter. Disse grænseflader er fyldt med bløde polymerer. Som tænder gnider og skaller støder, de bløde pletter dæmper de hårde plader, lad dem glide forbi hinanden. Under yderligere deformation, de hænger sammen som krog-og-sløjfer eller velcro, dermed bære enorme belastninger. Men mens man tygger, ingen ville kunne se formen på en tand ændre sig med det blotte øje. Den skiftende mikroarkitektur sker på omfanget af mikroner, og dens sammenlåsende struktur rebounder, indtil en klæbrig karamel eller useriøs popcornkerne skubber glidepladerne til bristepunktet.

Det bristepunkt er, hvad Ghosh studerer. Forskere på området har i forsøg fundet ud af, at tilføjelse af små defekter til glas kan øge materialets styrke 200 gange. Det betyder, at de bløde defekter bremser fejlen, guide til spredning af revner, og øger energiabsorberingen i det sprøde materiale.

"Fejlprocessen er irreversibel og kompliceret, fordi de arkitekturer, der fælder revnen gennem en forudbestemt sti, kan være buede og komplekse, "Sagde Ghosh." De modeller, vi arbejder med, forsøger at beskrive brudspredning og kontaktmekanikken ved grænsefladen mellem to hårdt sprøde byggesten. "

Endelig elementmetode

Mikroarkitekturmønstre i naturen skærer tænderne på en evolutionær tidslinje. Materialeforskere og ingeniører arbejder i kortere spænd, så de udvikler værktøjer til at finde ud af de bedste fejl og deres ideelle geometrier. Endelig element metode (FEM) er en sådan teknik.

FEM er en numerisk model, der adskiller en kompleks helhed ved at evaluere separate stykker - kaldet endelige elementer - og derefter sætter alt sammen igen ved hjælp af beregningen af ​​variationer. Humpty Dumpty og alle kongens mænd ville have ønsket FEM, men det er ikke noget hurtigt trick ved vejkanten. For at køre sådanne komplekse beregninger kræver en supercomputer, ligesom Superior hos Michigan Tech, og det kræver omhu at sikre, at de rigtige input bliver tilsluttet tålmodighed og et skarpt øje til kodning af detaljer. Brug af FEM til super stærkt glas betyder, at man modellerer alle mulige interaktioner mellem materialets hårde plader og bløde pletter.

Analytisk modellering

Ghosh og hans team erkendte, at selvom FEM leverer præcise løsninger, det er tidskrævende og ikke egnet, når man arbejder med et stort antal modeller. Så, de fandt på et alternativ.

"Vi ville have en enkel, omtrentlig model til beskrivelse af materialet, " han sagde, forklarede teamet brugte mere grundlæggende matematiske ligninger end FEM -beregningerne til at skitsere og beskrive formerne i materialet, og hvordan de kan interagere. "Selvfølgelig, et eksperiment er den ultimative test, men mere effektiv modellering hjælper os med at fremskynde udviklingsprocessen og spare penge ved at fokusere på materialer, der fungerer godt i modellerne. "

Både FEM og analytisk mikroarkitekturmodellering fra Ghoshs laboratorium kan hjælpe med at lave keramik, biomedicinske implantater og glasset i bygninger så hårde som vores tænder.