Når mindre er mere:Designer slidser gør glaslignende materialer meget stærkere

Ved at lave specialdesignede slidser i plexiglas, Danske forskere har gjort det stærkere, lettere og mere fleksibel. Den nye viden kunne bruges til at lave mikrochips, for eksempel, meget mere holdbar.

Ved at skære et geometrisk mønster i et materiale, forskere fra Aarhus Universitet og Turner Research Group fra University of Pennsylvania i USA har ændret materialets mekaniske egenskaber og forbedret dets tolerance over for brud.

I deres eksperiment, forskerne brugte plexiglas som model og tilføjede en række specialdesignede udskæringer, ved at fjerne noget af materialet. Plexiglas er normalt sprødt og glaslignende, så det er sårbart over for brud. Med den nye teknik, produktet bliver lettere end originalen, stærkere og mere robust.

Teknikken producerer det, der kaldes et mekanisk metamateriale, hvilket betyder, at materialets egenskaber ændres, udelukkende ved at ændre dens geometriske struktur. Derfor, materialet stammer først og fremmest sine egenskaber fra den geometriske struktur frem for dens kemiske sammensætning.

Opdagelsen er beskrevet i den berømte Journal of the Mechanics and Physics of Faststoffer .

"I projektet vi testede en geometrisk dobbelt cantilever bjælkeform, som kan repræsentere en bred vifte af produkter, herunder mikrochips. Ved fremstilling af mikrochips, komponenten har en tendens til at revne, fordi den er lavet af et sprødt materiale. Ved at introducere disse specialdesignede snit, komponenten bliver mere fleksibel og mindre skrøbelig. Effekten stammer fra den nye geometri, som kan sprede spændingsbelastninger over et større område, hvilket reducerer stress -singulariteten, der er ansvarlig for dannelse og vækst af revner, ”siger Simon Heide-Jørgensen, en postdoc og forsker om projektet.

Forskergruppen lavede en række laserskæringer i materialet, og ændrer derved sin geometri nær de forventede spændings -singulariteter. Dette betyder, at det er muligt at lave materialebrydningen ved design (eller on-demand), dvs. følg nedskæringerne. Dette øger komponentens modstandsdygtighed over for revner og brud betydeligt.

"I stedet for at koncentrere sig om en singularitet, spændinger spredes nu langs de snit, vi har foretaget i materialet. Materialet kan modstå en større belastning, før det går i stykker. Når der opstår et brud, det vil vokse langs snittene, og dette vil bremse det og derved hæmme yderligere revnevækst. Materialet opnår en større tolerance over for vækst, og det bliver meget mindre skrøbeligt, ”siger Simon Heide-Jørgensen.

Udover at gøre materialet mere modstandsdygtigt over for revner, snittene gør det mere fleksibelt og lettere, og, i princippet, reducere materialeforbrug.