Julia Greer, hoogleraar materiaalkunde, mechanica en medische techniek in de afdeling Engineering en Applied Science van Caltech, maakt materialen uit bouwstenen op micro- en nanoschaal die zijn gerangschikt in geavanceerde architecturen die periodiek kunnen zijn, als een rooster, of willekeurig. Beschreven als "architecturale materialen, " ze vertonen soms ongebruikelijke eigenschappen. Bijvoorbeeld, Greer heeft keramiek gemaakt met schuimachtige herstelbaarheid, lichtgewicht maar ultrasterke frames die kunnen terugveren na compressie, en mechanisch robuuste batterijen.

In samenwerking met Yong-Wei Zhang van het Institute of High Performance Computing in Singapore, Greer heeft vastgesteld dat het falen van architectonische materialen - het punt waarop ze breken wanneer ze worden samengedrukt of uitgerekt - kan worden beschreven met behulp van klassieke continuümmechanica, die het gedrag van een materiaal modelleert als een continue massa in plaats van als individuele (of "discrete") deeltjes.

Deze bevinding impliceert een dualiteit met de aard van deze materialen - in die zin dat ze zowel als individuele deeltjes als als een enkel collectief kunnen worden beschouwd. De bevindingen van Greer en Zhang werden aangekondigd in een paper gepubliceerd door het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen op 13 dec.

Gebouwde materialen zijn interessant voor ingenieurs vanwege hun vaak ongebruikelijke eigenschappen, maar hun gedrag kan moeilijk te voorspellen zijn. Het is onmogelijk om te weten hoe ze op stress zullen reageren totdat ze in een laboratorium zijn gemaakt en getest. Als zodanig, de creatie van deze materialen was grotendeels vallen en opstaan:onderzoekers zouden nieuwe roosterstructuren bedenken en ze vervolgens verpletteren en uitrekken om te zien hoe sterk ze waren. Hoewel dit proces tot enkele interessante ontdekkingen heeft geleid, in staat zijn om te voorspellen hoe een bepaald rooster onder druk zal presteren voordat het daadwerkelijk wordt gebouwd, zou het voor ingenieurs gemakkelijker maken om speciaal gebouwde materialen te maken.

Het team maakte een rooster van holle, 50 nanometer dikke aluminiumoxide balken, en voerden vervolgens "mislukkingstests" uit:ze plaatsten het rooster onder spanning en registreerden wanneer en hoe het scheurde. De tests toonden aan dat het materiaal een sterkte-over-dichtheidsverhouding heeft, of "specifieke kracht, " dat is vier keer hoger dan dat van enig ander gerapporteerd materiaal tot nu toe.

belangrijk, de faaltests stelden het team in staat een theorie te ontwikkelen voor hoe architectonische materialen in het algemeen falen. "Deze nieuwe analyse geeft ons een zeer krachtige benadering voor het ontwerpen van nieuwe materialen die bijzonder goed bestand zijn tegen beschadiging en scheuren, terwijl ze een uitzonderlijk laag gewicht behouden, ' zegt Greer.

Begrijpen wanneer en hoe een materiaal faalt, is van cruciaal belang als het nuttig wil zijn in toepassingen in de echte wereld, waar het nooit voorbij het faalpunt zou worden geduwd. Dergelijke informatie maakt de creatie van nieuwe materialen mogelijk die lichter en sterker zijn dan alle tot nu toe geproduceerde materialen - en die zullen falen in eenvoudige, voorspelbare manieren. Daarentegen, veel conventionele (dat wil zeggen, niet-architecturale) materialen falen plotseling en op manieren die moeilijk te voorzien en te beschrijven zijn, zegt Greer.

Het artikel is getiteld "Discrete-Continuum Duality of Architected Materials:Failure, Gebreken, en breuk."