Ongeordende materialen, zoals cellulair schuim, glasvezel- en polymeernetwerken - zijn populair in toepassingen variërend van architectuur tot biomedische steigers. Voorspellen wanneer en waar deze materialen kunnen falen, kan niet alleen gevolgen hebben voor de materialen die momenteel in gebruik zijn, maar ook toekomstige ontwerpen. Onderzoekers van de North Carolina State University en de University of California Los Angeles waren in staat om waarschijnlijke faalpunten te voorspellen in tweedimensionale ongeordende lasergesneden roosters zonder gedetailleerde toestanden van het materiaal te hoeven bestuderen.

Het interieur van ongeordende materialen wordt gevormd door een netwerk van verbindingen tussen slanke balken die elkaar op verschillende punten - of knooppunten - door het materiaal kruisen. Hun structuur zorgt voor zowel compressie als vervorming, waardoor ze verschillende soorten kracht kunnen weerstaan.

Estelle Berthier, postdoctoraal onderzoeker bij NC State en hoofdauteur van een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, uiteengezet om te bepalen of het mogelijk is te voorspellen waar de kans op uitval het grootst is in een ongeordend netwerk. Berthier en co-auteur Karen Daniels, hoogleraar natuurkunde aan NC State, genereerde roosters op basis van de contactnetwerken waargenomen in korrelige materialen en keek naar een eigenschap die bekend staat als geodetische edge betweenness centrality (GEBC).

"Het belang van een edge in een netwerk ligt in het vermogen om verschillende delen van het netwerk te verbinden via het kortste pad, " zegt Berthier. "In ons modelrooster, wanneer u elk knooppunt van het netwerk verbindt via het kortste pad, je gebruikt een van deze balken, of randen. Als je veel door een bepaalde rand gaat, dan heeft die rand een hoge centraliteit. Denk na over het gebruik van de kortste weg, of weg, tussen twee steden. De centraliteitswaarde is de meest populaire weg op dat kortste pad."

In samenwerking met UCLA wiskundige Mason Porter, de onderzoekers gebruikten een computeralgoritme om de GEBC voor het rooster te berekenen en ontdekten dat randen met een hogere centraliteitswaarde dan het gemiddelde het meest waarschijnlijk faalden.

"Als er meer verkeer is op een bepaalde weg, dan is er meer slijtage, Berthier zegt. een hogere centraliteitswaarde betekent dat een bepaald pad binnen het materiaal te maken heeft met meer geweld 'verkeer, ' en moet nauwer worden gecontroleerd of misschien op de een of andere manier worden ondersteund."

De onderzoekers ontdekten dat de GEBC-waarden alleen voldoende waren om faallocaties in het materiaal te identificeren.

"Een van de dingen die me verbaasden over de resultaten, was dat we voor de berekeningen geen eigenschappen van de materialen hoeven te kennen, hoe de delen met elkaar zijn verbonden, "zegt Daniels. "Natuurlijk, we kunnen de voorspellingen nog sterker maken door informatie over de fysieke interacties op te nemen in onze berekeningen."

Het onderzoek verschijnt in Proceedings van de National Academy of Sciences en werd ondersteund door de James S. McDonnell Foundation.