Trek en schil. Voor velen, de uitdrukking roept waarschijnlijk de kenmerkende bundels rode drop op (en de enige echte manier om ze te eten). Aan materiaalwetenschappers zoals Yuris Dzenis van de Universiteit van Nebraska-Lincoln en zijn collega's:Hoewel, het vertegenwoordigt een nuttige metafoor voor de verrassend vergelijkbare structuur van de hoogwaardige vezels die worden aangetroffen in kogelvrije vesten en ruimtevaarttechniek.

Het zou ook een krachtige nieuwe techniek kunnen beschrijven voor het analyseren en, Dzenis hoopt, uiteindelijk het falen van die polymeervezels bestrijden - geen decennium te vroeg.

De jaren zestig en zeventig ontketenden een stortvloed aan vezelgerelateerde ontwikkelingen, wat Dzenis 'een ware revolutie' noemde in het verbeteren van hun chemie, samenstelling en verwerking. Maar die bron droogde op in de jaren 80, hij zei, en is sindsdien relatief onvruchtbaar gebleven.

Een mogelijk knelpunt? Een beperkt begrip van hoe vezels zich gedragen wanneer ze worden uitgerekt tot hun breekpunt, ook wel bekend als treksterkte.

"Wat wij denken, en onze medewerkers van het Amerikaanse leger denken ook, is dat het te wijten kan zijn aan ons slechte begrip van hoe deze complexe vezels reageren op belasting, " zei Dzenis, McBroom Hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde. "Ondanks het feit dat ze al vijf decennia worden bestudeerd, er is nog steeds geen volledig begrip van breukmechanismen en vervorming.

"Zoals gewoonlijk, als we iets willen optimaliseren, we moeten het eerst begrijpen."

Materiaalwetenschappers begrepen al dat een hoogwaardige vezel in het algemeen uit drie hiërarchieën bestaat:nanoscopische ranken die duizenden keren dunner zijn dan mensenhaar; microscopisch, dicht opeengepakte bundels van die ranken; en de macroscopische vezel waaruit die bundels bestaan. Of, in pull 'n' peel termen:individuele strengen drop, de bundels waaruit die strengen worden getrokken, en het pakket dat ze bevat.

Hoewel onderzoekers hadden geanalyseerd hoe vezels op nano- en macroschaal reageerden, niemand had ontdekt hoe de interacties tussen de microscopische bundels konden worden gemeten - interacties waarvan velen vermoedden dat ze van cruciaal belang waren voor het begrijpen van enkele contra-intuïtieve bevindingen en het proces in het algemeen.

De door Dzenis begeleide promovendus Taylor Stockdale en collega's van het onderzoekslaboratorium van het Amerikaanse leger waren klaar voor de taak. Stockdale bedacht een techniek om minuscule T-vormige inkepingen in de bovenkant van de vezel te etsen en het oppervlak ervan af te pellen terwijl het werd uitgerekt, dit alles terwijl de verstoringen vermeden werden die metingen die met andere technieken waren vastgelegd ongeldig maakten - het nanoscopische equivalent van op een koord lopen zonder het te verstoren. Met het lef van de vezel onthuld, het team kon toen meer bekende methoden gebruiken, met behulp van een nano-inspringend instrument om de krachten te meten die aangrenzende bundels scheiden en een geavanceerde microscoop om het uiteenscheuren van die bundels in beeld te brengen.

Dat hebbend gedaan, het team ging op zoek naar het gedrag van twee veel voorkomende hoogwaardige vezels:een Kevlar-vezel bestaande uit stijve polymeerketens en een andere, meer flexibele polyethyleenvezel. Dzenis en zijn collega's waren vooral geïnteresseerd in het analyseren van vezelfibrillatie, de neiging van bundels om niet op hetzelfde punt te scheuren - zoals bij een zuivere breuk - maar op verschillende punten langs de lengte van een vezel, wat leidt tot het uittrekken van de bundel en het falen van de vezels. Omdat geen enkel team ooit de scheiding tussen bundels had kunnen kwantificeren, dat proces, net als de bundels zelf, onder de oppervlakte verborgen was gebleven.

Uit de experimenten van het team bleek dat er aanzienlijk minder energie nodig was om bundels in de polyethyleenvezel met flexibele keten te scheiden dan in de stijvere Kevlar-vezel, helpen verduidelijken waarom fibrillaties zich veel verder over de lengte van de eerste vezels verspreidden dan de laatste.

Die resulterende gegevens, en de techniek die het heeft opgeleverd, zou toekomstige rekenmodellen moeten informeren en uiteindelijk helpen bij het optimaliseren van productieprocessen die leiden tot meer resistente, duurzamere vezels, aldus de onderzoekers.

"Voor de eerste keer, deze informatie stelde ons in staat om de verschillen in fibrillatie te verklaren, " Dzenis zei over de studie van het team, die onlangs de omslag van het tijdschrift sierde ACS toegepaste materialen en interfaces . "We verklaren de verschillen door middel van data, dat is al een grote doorbraak."

Het was niet de enige. Na vergelijking van de hoeveelheid geabsorbeerde scheidingsenergie op alle drie de schalen van de polyethyleenvezel-rank, bundel en hele vezel - het team ontdekte dat de energie gehoorzaamde aan een zogenaamde machtswet. In dit geval, de geabsorbeerde scheidingsenergie leek evenredig toe te nemen met het scheidingsoppervlak tot de macht van ongeveer 0,5, wat betekent dat de energie in een constant vertragend tempo toenam ten opzichte van de schaalvergroting. Dat, beurtelings, suggereerde dat ranken gemakkelijker te scheiden moeten zijn dan bundels, en bundelt gemakkelijker dan hele vezels.

En dat was niet alles. Bij structuren, machtswetschaling gaat vaak gepaard met zelfgelijkenis:een fenomeen waarbij delen van een structuur lijken op de structuur als geheel, zoals wanneer de armen van een sneeuwvlok structurele kenmerken delen met de hele vlok. Zowaar, toen het team beelden van scheidingsbreuk tussen de microscopische bundels en de macroscopische vezeldelen vergeleek, het zag vergelijkbare bruggen van materiaal die de gaten op beide schalen overspannen - een bewijs van zelfgelijkenis dat ook zou kunnen helpen bij het verklaren van de machtswetschaling.

"Mensen in de breukmechanica, in de natuurkunde, ze vieren het meestal als ze zoiets zien, omdat het zo rijk is voor toekomstige modellen, enzovoort, "Zei Dzenis. "Het is ook heel fundamenteel. Het kan uiteindelijk de kern van dit complex worden, meerschalig fractuurgedrag.

"We verwachten dat mensen nu op zoek gaan naar zelfgelijkheid in vezels, waarschijnlijk voor het eerst, omdat er eerder geen bewijs van zoiets was. Er was een ontbrekende schakel. Nu hebben we het."

Vragen blijven, Dzenis zei, waarvan de meest intrigerende betrekking heeft op het adagium van een ketting die breekt bij de zwakste schakel. Dat gezegde is meestal wel van toepassing op het falen van constructies, hij zei. Gezien de bevindingen van het team over geabsorbeerde scheidingsenergie, het principe suggereerde dat de ergste fibrillatie had moeten plaatsvinden tussen de nanoscopische ranken, niet de microscopische bundels.

"Dat verbaasde ons, " zei hij. "Dat vertraagde eigenlijk de publicatie voor ongeveer een half jaar. We gingen heen en weer; we hadden waarschijnlijk 15 kladversies van dit document tot we ons hierover vestigden. Volgens de energie, de fibrillatie had op nanoschaal moeten zijn. Maar iets verhindert het in de vezel, en de belangrijkste fibrillatie bevindt zich op de tussenliggende schaal. Het antwoord op deze vraag moet nog worden geformuleerd of afgerond, maar we hebben nu enkele aanwijzingen."

Ondertussen, Dzenis zei, de meerdere doorbraken van het team zouden materiaalwetenschappers en ingenieurs moeten helpen om op zijn minst enkele van de belangrijkste draden te ontrafelen die het veld zo lang hebben beperkt.

"Vezelproductieprocessen zijn complex en worden nog steeds niet goed begrepen, maar sommige dingen kunnen worden aangepast:sommige concentraties, wat scheikunde, sommige trekverhoudingen en temperaturen enzovoort, "zei hij. "Als we ze veranderen, we kunnen een uiteindelijke vezeleigenschap meten, maar met zo'n complex faalmechanisme ... is de laatste eigenschap slechts één gegevenspunt. Het is niet voldoende om te begrijpen hoe of waarom een ​​wijziging in de verwerking het faalmechanisme zal beïnvloeden. Een beter begrip van details op verschillende schalen zal zeer, zeer krachtige en nuttige informatie voor onderzoekers. Deze kwantitatieve informatie is de sleutel tot het verder ontwikkelen van die mechanismen en het creëren van nieuwe supervezels.

"We zijn enthousiast. Je vindt niet vaak iets kwalitatief nieuws, laat staan ​​kwantitatief onverwacht. Maar dit is nog maar het begin."