De sterkte van tanden wordt weergegeven op de schaal van millimeters. Porseleinen glimlachen zijn een beetje zoals keramiek - behalve dat, terwijl porseleinen borden breken wanneer ze tegen elkaar worden geslagen, onze tanden niet, en het is omdat ze vol gebreken zijn.

Die gebreken inspireerden het nieuwste artikel onder leiding van Susanta Ghosh, universitair docent bij de afdeling Werktuigbouwkunde-Engineering Mechanics. Het onderzoek verscheen onlangs in het tijdschrift Mechanics of Materials. Samen met een team van toegewijde afgestudeerde studenten - Upendra Yadav, Mark Coldren en Praveen Bulusu - en collega-werktuigbouwkundig ingenieur Trisha Sain, Ghosh onderzocht wat de microarchitectuur van brosse materialen zoals glas en keramiek wordt genoemd.

"Sinds de tijd van de alchemisten hebben mensen geprobeerd nieuwe materialen te maken, " zei Ghosh. "Wat ze deden was op chemisch niveau en wij werken op microschaal. Het veranderen van de geometrieën - de microarchitectuur - van een materiaal is een nieuw paradigma en opent veel nieuwe mogelijkheden omdat we met bekende materialen werken."

Onbreekbaar glas

Sterker glas brengt ons terug bij tanden - en schelpen. Op microniveau is de primaire harde en broze componenten van tanden en schalen hebben zwakke interfaces of defecten. Deze interfaces zijn gevuld met zachte polymeren. Terwijl tanden knarsen en schelpen botsen, de zachte plekken dempen de harde platen, ze langs elkaar heen laten glijden. Onder verdere vervorming, ze worden met elkaar verbonden als klittenband of klittenband, dus enorme lasten dragen. Maar tijdens het kauwen, niemand zou de vorm van een tandverandering met het blote oog kunnen zien. De verschuivende microarchitectuur gebeurt op de schaal van microns, en de in elkaar grijpende structuur kaatst terug totdat een plakkerige karamel of malse popcorn de schuifplaten naar het breekpunt duwt.

Dat breekpunt is wat Ghosh bestudeert. Onderzoekers in het veld hebben in experimenten ontdekt dat het toevoegen van kleine defecten aan glas de sterkte van het materiaal 200 keer kan vergroten. Dat betekent dat de zachte defecten het falen vertragen, het begeleiden van de verspreiding van scheuren, en verhoogt de energieopname in het brosse materiaal.

"Het faalproces is onomkeerbaar en gecompliceerd omdat de architecturen die de scheur opsluiten via een vooraf bepaald pad, gekromd en complex kunnen zijn, "Zei Ghosh. "De modellen waarmee we werken, proberen breukvoortplanting en de contactmechanica op het grensvlak tussen twee hard-brosse bouwstenen te beschrijven."

Eindige elementenmethode

Microarchitectuurpatronen in de natuur snijden hun tanden op een evolutionaire tijdlijn. Materiaalwetenschappers en ingenieurs werken in kortere overspanningen, dus ontwikkelen ze tools om de beste defecten en hun ideale geometrieën te achterhalen. De eindige-elementenmethode (FEM) is zo'n techniek.

FEM is een numeriek model dat een complex geheel uit elkaar haalt door afzonderlijke stukken te evalueren - eindige elementen genoemd - en vervolgens alles weer in elkaar zet met behulp van de variatierekening. Humpty Dumpty en alle mannen van de koning hadden graag FEM gewild, maar het is geen snelle truc langs de weg. Om dergelijke complexe berekeningen uit te voeren, is een supercomputer nodig, zoals Superior bij Michigan Tech, en ervoor zorgen dat de juiste inputs worden aangesloten, vergt zorgvuldigheid, geduld en een scherp oog voor coderingsdetails. FEM gebruiken voor supersterk glas betekent het modelleren van alle mogelijke interacties tussen de harde platen van het materiaal en de zachte plekken.

Analytische modellering

Ghosh en zijn team erkenden dat hoewel FEM nauwkeurige oplossingen biedt, het is tijdrovend en niet geschikt bij het werken met een groot aantal modellen. Dus, ze kwamen met een alternatief.

"We wilden een eenvoudige, benaderend model om het materiaal te beschrijven, " hij zei, het team gebruikte meer elementaire wiskundige vergelijkingen dan de FEM-berekeningen om de vormen in het materiaal te schetsen en te beschrijven en hoe ze zouden kunnen interageren. "Natuurlijk, een experiment is de ultieme test, maar efficiëntere modellering helpt ons het ontwikkelingsproces te versnellen en geld te besparen door te focussen op materialen die goed werken in de modellen."

Zowel de FEM- als de analytische microarchitectuurmodellering van Ghosh's lab kan helpen bij het maken van keramiek, biomedische implantaten en het glas in gebouwen zo hard als onze tanden.