In een paper gepubliceerd in Natuurfysica , Northeastern University Department of Physics Arts and Sciences Distinguished Professor Alain Karma, in samenwerking met zijn postdoctoraal onderzoeksmedewerker Chih-Hung Chen en professor Eran Bouchbinder van de afdeling Chemische Fysica van het Weizmann Institute of Science, ontdekte het mechanisme dat ervoor zorgt dat scheuren zich vreemd gedragen wanneer ze zich zeer snel verspreiden in brosse materialen. De resultaten van deze studie zullen onderzoekers helpen beter te begrijpen hoe fragiele materialen, zoals glas, keramiek, polymeren, en botbreuk - vaak catastrofaal - en hoe materialen beter kunnen worden ontworpen om falen te voorkomen.

Karma's doel was om te begrijpen hoe dingen breken, aangezien een primaire manier waarop materialen falen is door scheurvoortplanting, dat al lang een probleem is in de materiaalkunde, bouw, en productontwikkeling. Specifieker, het collaboratieve onderzoeksteam wilde begrijpen hoe de mechanische eigenschappen van het gebied met hoge spanningsconcentratie rond de rand van een scheur de scheurdynamiek beïnvloeden.

"Terwijl rechte scheuren kunnen, in principe, race door een materiaal zo snel als de snelheid van het geluid, ze bereiken nooit die snelheid om redenen die ongrijpbaar zijn gebleven, " zei Karma. "We hebben aangetoond dat dit komt omdat scheuren inherent onstabiel worden wanneer hun snelheid voldoende hoog is. Instabiliteit zorgt ervoor dat de scheurtip heen en weer wiebelt en een golvend pad door het materiaal volgt. Deze instabiliteit wordt volledig over het hoofd gezien door conventionele theorieën over breuken, die allemaal aannemen dat de relatie tussen rek en kracht in een materiaal lineair is, wat betekent dat een verdubbeling van de kracht de hoeveelheid rek verdubbelt. Ons werk laat zien dat deze aanname in de buurt van de scheurtip afbreekt en verklaart hoe de niet-lineaire relatie tussen rek en kracht oscillaties produceert met een goed gedefinieerde periode die gerelateerd kunnen worden aan materiaaleigenschappen."

Door dit onderzoek, Karma en zijn collega's ontwikkelden een nieuwe theorie om onderzoekers te helpen voorspellen, door grootschalige computersimulaties, de dynamiek van een scheur onder wisselende omstandigheden, die het potentieel heeft om te helpen begrijpen waarom en hoe bepaalde materialen falen.

Met succes in dit onderzoek, Karma hoopt door te gaan met meer gerelateerd werk. "Deze studie gebruikte zeer dunne vellen quasi-2D-materialen. We zijn van plan deze studie uit te breiden naar 3D-bulkmaterialen. In bulk, de instabiliteit die voorkomt dat scheuren breken met de snelheid van het geluid gebeurt bij een lagere scheursnelheid dan in 2D, maar het mechanisme wordt niet begrepen, " hij zei.

Om dit mechanisme te verduidelijken, het team is van plan om het 3D-fenomeen van microvertakkingen te onderzoeken, wanneer de hoofdscheur in vele microscheuren splitst, om de oorsprong ervan in bulkmonsters van brosse materialen te begrijpen. "Wij geloven dat de niet-lineaire relatie tussen kracht en vervorming aan de basis ligt van microvertakkingsinstabiliteiten, en we denken dat we dat probleem kunnen oplossen, ' zei Karma.