Μία προσομοίωση που έχει δημιουργηθεί από έναν ερευνητή του MIT σχετικά με το σχηματισμό και τη διάδοση των ρωγμών μπορεί να βοηθήσει στην ερμηνεία της αποτυχίας των υλικών να διατηρήσουν τις δομές τους στις νανοσυσκευές, τ' αεροπλάνα και την επιφάνεια της Γης κατά τη διάρκεια ενός σεισμού. Αυτή η επιστημονική μελέτη, που θα μπορούσε να βρει εφαρμογές σε ευρύ φάσμα επιστημονικών κι εφαρμοσμένων κλάδων, παρουσιάζεται στην επιστημονική επιθεώρηση Nature, στην έκδοση της 19ης Ιανουαρίου 2006.
Μία προσομοίωση που έχει δημιουργηθεί από έναν ερευνητή του MIT σχετικά με το σχηματισμό και τη διάδοση των ρωγμών μπορεί να βοηθήσει στην ερμηνεία της αποτυχίας των υλικών να διατηρήσουν τις δομές τους στις νανοσυσκευές, τ' αεροπλάνα και την επιφάνεια της Γης κατά τη διάρκεια ενός σεισμού. Αυτή η επιστημονική μελέτη, που θα μπορούσε να βρει εφαρμογές σε ευρύ φάσμα επιστημονικών κι εφαρμοσμένων κλάδων, παρουσιάζεται στην επιστημονική επιθεώρηση Nature, στην έκδοση της 19ης Ιανουαρίου 2006.
Οι "κλασσικές θεωρίες της δυναμικής των ρωγμών ισχύουν μόνο σε ένα μικρό εύρος της συμπεριφοράς των υλικών", αναφέρει ο συντάκτης της μελέτης Μάρκους Μπούελερ, διευθυντής της Ομάδας Ατομικής Μηχανικής Μοντελοποίησης του MIT. "Τα αποτελέσματά μας αποκαλύπτουν μια σημαντική παράμετρο στην κατανόηση του πώς οι ρωγμές διαδίδονται σε διάφορα εύθραυστα υλικά, ενώ η θεωρία μας βοηθάει στην ερμηνεία των πειραματικών και αριθμητικών καταγραφών που ήταν ανεπαρκώς κατανοητές μέχρι τώρα", συμπληρώνει.
Τα προηγούμενα πειράματα δείχνουν ότι οι ρωγμές αρχίζουν αργά, δημιουργώντας μια ευθύγραμμη, κοφτερή "φέτα" όπως είναι η επιφάνεια ενός επίπεδου καθρέφτη. Δεδομένου ότι η ρωγμή διαδίδεται με αυξανόμενη ταχύτητα, σε ένα ορισμένο σημείο αρχίζει να περιστρέφεται, όπως ένα φίδι εκτός ελέγχου, αφήνοντας στα ίχνη της μια όλο και περισσότερο τραχιά, ανώμαλη επιφάνεια που δημιουργεί τελικά ένα χαοτικό διακλαδισμένο σχέδιο. Είναι εντυπωσιακό, πως αυτό το φαινόμενο συμβαίνει σε πολλές διαφορετικές κατηγορίες εύθραυστων υλικών, συμπεριλαμβανομένων των γυαλιών, των κεραμικών, των πολυμερών σωμάτων και των ημιαγωγών, αλλά κανένας δεν έχει κατανοήσει πλήρως τη φυσική πίσω από αυτό το φαινόμενο. Οι Μπούελερ και Χουαγιάν Γκα του Ινστιτούτου Μαξ Πλανκ για την Έρευνα των Μετάλλων, στη Στουτγάρδη της Γερμανίας, και τώρα στο Πανεπιστήμιο Μπράουν, μιμήθηκαν τη δράση των ατόμων για να μελετήσουν πώς τα υλικά συμπεριφέρονται υπό ακραίες συνθήκες. Χρησιμοποιώντας μαζικά, μοριακές προσομοιώσεις δυναμικής μεγάλης κλίμακας , αποκάλυψαν τη φυσική πίσω από τα ρήγματα και διαμόρφωσαν μια νέα θεωρία για το πώς οι ρωγμές διαδίδονται στα εύθραυστα υλικά.
Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι για να εξαχθεί κάποιο συμπέρασμα από τις αλληλοσυγκρουόμενες μελέτες απαιτείται η θεώρηση της συμπεριφοράς του υλικού, ως υπερ - ελαστικής, που ερμηνεύεται πως οι ατομικοί δεσμοί είναι στα όρια της καταστροφής τους. "Η Υπερ - ελαστικότητα, που προέρχεται από την αλληλεπίδραση των ατόμων σύμφωνα με τους κβαντομηχανικούς νόμους, δεν έχει ληφθεί υπόψη στις περισσότερες υπάρχουσες θεωρίες ερμηνείας των ρηγμάτων. Τα αποτελέσματά μας προτείνουν ότι αποτελεί τη βασική ιδέα για την ερμηνεία των εκκρεμών πειραματικών παρατηρήσεων", αναφέρει ο Μπούελερ. Και συνεχίζει: "Μια σημαντική συνέπεια της υπερ - ελαστικότητας είναι ότι οι ελαστικές συμπεριφορές σκλήρυνσης, όπως εκείνες στα υλικά από λάστιχο, μπορούν να έχουν μια δραματική επίδραση στη δυναμική αστάθειας των ρωγμών". Η νέα μελέτη δείχνει ότι οι ρωγμές σε σκληρά υλικά μπορούν να καταστείλουν το χαοτικό σχέδιο της διάδοσης των ρωγμών και να κινηθούν γρηγορότερα από την ταχύτητα του ήχου δημιουργώντας επίπεδες επιφάνειες, όπως αυτή των καθρεφτών.
Dynamical fracture instabilities due to local hyperelasticity at crack tips
Markus J. Buehler, Ph.D., Principal Investigator, Atomistic Mechanics Modeling Group
