Fysici vinden manier om breuken te beheersen
Stijve materialen breken gemakkelijker dan flexibele. Met dit simpele gegeven in gedachten, hebben fysici een manier gevonden om de breedte van een barst te voorspellen en te beheersen. Zulk theoretisch begrip van hoe materialen breken, is handig in bijvoorbeeld de productie van auto's en beeldschermen.
Als je ooit de pech hebt gehad om een arm te breken, vroeg je je toen af waarom het bot brak, en niet de huid? Het was tenslotte de huid die de eerste impact te verduren kreeg. Vanuit onze intuïtie weten we dat stijve materialen gemakkelijker breken dan flexibele. De onderzoeksgroep van FOM-werkgroepleider Vincenzo Vitelli (Universiteit Leiden) en zijn collega's van het Nagel Lab hebben dit gegeven nu gebruikt om materialen te ontwerpen die moeilijker breken.
Een stijf materiaal heeft veel verbindingen en genereert een smalle breuk in een bijna rechte lijn. Een materiaal met minder verbindingen is zachter en produceert een diffuse breukregio: een barst die zelfs zo breed kan zijn als het complete sample. In dat geval breekt het materiaal niet, dankzij zijn flexibiliteit. Om deze ontdekking te doen, hebben de fysici kunstmatige structuren - metamaterialen genaamd - gesimuleerd en gebouwd met variabele aantallen verbindingen, die op ongewone manieren breken. Ze publiceerden hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS.
Einstein
Eerder publiceerde Vitelli's groep samen met het Irvine Lab een artikel in Nature Materials over het pad dat een barst, volgt terwijl het zich een weg baant door een gebogen dunne laag. Ze ontdekten een opmerkelijke parallel met Einsteins algemene relativiteitstheorie, waarin een lichtstraal wordt gebogen door de kromming van de ruimte. In het geval van een breuk wordt het pad van de barst gebogen door de kromming van het onderliggende oppervlak.
"Wanneer je een theorie hebt over hoe dingen breken, heb je controle over de eigenschappen van echte materialen," zegt Vitelli. "Dit is in potentie handig. Je wilt bijvoorbeeld een barst wegleiden van een bepaald gedeelte in een structuur, zoals het midden van een brillenglas. Of je kunt, om een breuk überhaupt te voorkomen, flexibele metamaterialen ontwerpen."
Referentie
The role of rigidity in controlling material failure, Michelle M. Driscoll, Bryan Gin-ge Chen, Thomas H. Beuman, Stephan Ulrich, Sidney R. Nagel & Vincenzo Vitelli, PNAS.