Door speciaal ontworpen sleuven te maken in plexiglas, Deense onderzoekers hebben het sterker gemaakt, lichter en flexibeler. De nieuwe kennis kan worden gebruikt om microchips te maken, bijvoorbeeld, veel duurzamer.

Door een geometrisch patroon in een materiaal te snijden, onderzoekers van Aarhus University en de Turner Research Group van de University of Pennsylvania in de VS hebben de mechanische eigenschappen van het materiaal veranderd en de tolerantie tegen breuk verbeterd.

In hun experiment hebben de onderzoekers gebruikten plexiglas als modelmateriaal en voegden een aantal speciaal ontworpen sneden toe, daarbij het verwijderen van een deel van het materiaal. Plexiglas is meestal broos en glasachtig, dus het is kwetsbaar voor breuken. Met de nieuwe techniek, het product wordt lichter dan het origineel, sterker en robuuster.

De techniek produceert wat een mechanisch metamateriaal wordt genoemd, wat betekent dat de eigenschappen van het materiaal worden veranderd, alleen door de geometrische structuur ervan te veranderen. Daarom, het materiaal ontleent zijn eigenschappen vooral aan de geometrische structuur en niet aan de chemische samenstelling.

De ontdekking is beschreven in de beroemde Journal of the Mechanics and Physics of Solids .

"In het project, we hebben een geometrische dubbele cantilever-balkvorm getest, die een breed scala aan producten kan vertegenwoordigen, inclusief microchips. Bij het vervaardigen van microchips, het onderdeel heeft de neiging te barsten omdat het van een bros materiaal is gemaakt. Door deze speciaal ontworpen sneden te introduceren, het onderdeel wordt flexibeler en minder kwetsbaar. Het effect komt voort uit de nieuwe geometrie, die spanningsbelastingen over een groter gebied kan verspreiden, waardoor de singulariteit van de spanning die verantwoordelijk is voor de vorming en groei van scheuren, wordt verminderd, " zegt Simon Heide-Jørgensen, een postdoc en onderzoeker op het project.

Het onderzoeksteam maakte een aantal lasersneden in het materiaal, waardoor de geometrie verandert in de buurt van de verwachte spanningssingulariteiten. Dit betekent dat het mogelijk is om het materiaal ontwerp (of on-demand) te laten breken, d.w.z. volg de bezuinigingen. Dit verhoogt de weerstand van het onderdeel tegen scheuren en breuken aanzienlijk.

"In plaats van zich te concentreren op een singulariteit, spanningen verspreiden zich nu langs de sneden die we in het materiaal hebben gemaakt. Het materiaal is bestand tegen een grotere belasting voordat het breekt. Wanneer er toch een breuk ontstaat, het zal langs de sneden groeien, en dit zal het vertragen en daardoor verdere scheurgroei remmen. Het materiaal verkrijgt een grotere tolerantie voor scheurgroei en wordt veel minder kwetsbaar, ", zegt Simon Heide-Jørgensen.

Naast het materiaal beter bestand te maken tegen scheuren, de sneden maken het flexibeler en lichter, en, in principe, materiaalverbruik verminderen.