Wat ons niet doodt, maakt ons sterker, volgens filosoof Friedrich Nietzsche. Wie had gedacht dat een soortgelijk idee zou kunnen gelden voor materialen?

"De reden dat beton zo sterk is, is omdat het zo zwak is, " zegt professor Alex Hansen, hoofd van PoreLab, een Centre of Excellence voor uitmuntend onderzoek aan de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie (NTNU) en de Universiteit van Oslo (UiO).

Onderzoekers van PoreLab werken voornamelijk met poreuze materialen zoals beton, en in hun wereld, dit soort dingen kan gebeuren. Onder andere, de onderzoekers kijken naar wat er gebeurt in materialen die worden blootgesteld aan stress, en sommige van hun bevindingen zijn een beetje onverwacht.

Waarom, bijvoorbeeld, werkt beton op deze manier? Beton ziet er compact uit, maar het zit eigenlijk vol met kleine gaatjes. Deze gaten maken het materiaal sterker. Professor Hansen begint bij de basis:

"Als je een barst in de voorruit van je auto krijgt, je kunt voorkomen dat die scheur zich uitbreidt door er een gat in te boren, " zegt hij. Een onbehandelde scheur heeft een hoge krachtconcentratie aan het uiteinde van de scheur. Als je op dit punt een gat boort, de kracht verspreidt zich in plaats daarvan rond het gat en vermindert de druk op het glas.

Iets soortgelijks doet zich voor in het poreuze beton. Als er een scheur in het beton zit, de kracht wordt door alle gaten verdeeld over het materiaal. Al sinds de middeleeuwen kennen mensen deze krachtmechanismen. De bouwers van het fort Kristiansten in Trondheim in de 17e eeuw hebben de overblijfselen van dode dieren in het materiaal gestopt. Terwijl de dieren rotten en gassen uitstoten, ze maakten het materiaal poreus en dus sterker.

Maar dit verklaart niet waarom materialen nog sterker kunnen worden onder belasting. Het idee druist in tegen de intuïtie - zou het materiaal niet zwakker moeten worden? Wat gebeurd er?

Promovendus Jonas Tøgersen Kjellstadli van de afdeling Natuurkunde van NTNU kan het proces uitleggen. Hij heeft samengewerkt met Hansen, onderzoeker Srutarshi Pradhan en Ph.D. kandidaat Eivind Bering - ook van dezelfde afdeling - bij het bestuderen van het fenomeen. "De sterke delen van het materiaal omringen de zwakke delen en beschermen ze, ' zegt Kjellstadli.

Een materiaal als beton is niet overal even sterk, al lijkt het er misschien op. Een ogenschijnlijk uniform materiaal heeft zwakke en sterke zones. Deze zones zijn er willekeurig over verspreid.

In de computermodellen die Kjellstadli gebruikt, de sterke zones zijn verspreid in het materiaal. Ze beschermen de zwakke zones wanneer de vezels worden blootgesteld aan stressoren. Dit gebeurt in zo'n sterke mate dat het materiaal wordt gestabiliseerd en minder kwetsbaar wordt voor dergelijke spanningen.

Dit effect is alleen van toepassing waar de sterke en zwakke zones ongelijk verdeeld zijn over het materiaal. En dat geldt maar tot een bepaalde drempel. Het materiaal wordt constant tot een of andere maximale drempel belast, waar de kracht van een spanning niet langer kan worden geabsorbeerd. Vroeger of later, het materiaal zal dan catastrofaal en plotseling falen.

De onderzoekers zien mogelijke toepassingen, ook. Wat als je deze basiskennis zou kunnen gebruiken om te voorspellen wanneer een materiaal zal falen? Wanneer wordt de stress eindelijk te veel? "We gebruiken dezelfde computermodellen als wanneer we waarnemen dat materialen worden versterkt door de spanningsbelasting, " zegt Hansen.

Op dat, ze voegen praktische experimenten toe, doorgaan totdat de spanningsbelasting te groot wordt voor het materiaal.

Hansen is al sinds 2000 geïnteresseerd in dit onderwerp, toen hij hoorde over mijnen in Zuid-Afrika die plotseling zouden instorten. Het begrijpen van dezelfde principes zou ooit kunnen worden gebruikt als hulpmiddel tijdens de bouw van tunnels, of aardbevingen te voorspellen. Deze ideeën zijn nog speculatief, en hun toepassingen liggen in de wat verre toekomst. Maar de ambities van de onderzoekers zijn hoog.

"We werken aan het bedenken van een algemeen model voor wanneer een catastrofale storing optreedt, zegt Hansen.

Of dit doel überhaupt mogelijk is, ze weten het nog niet, maar dit is precies het soort risicovol onderzoek dat PoreLab moet uitvoeren. De potentiële winst is enorm als ze slagen.

"In onze computermodellen we zien dat de elastische energie van het materiaal een piek bereikt net voordat het faalt, ", zegt PoreLab-onderzoeker Pradhan. Hij heeft specifiek gewerkt aan het voorspellen wanneer een materiaal zal barsten sinds hij begon te studeren bij professor Bikas K. Chakrabarti aan het Saha Institute of Nuclear Physics in Kolkata, India in 2000. "Wij geloven dat dit het potentieel heeft om uit te breiden naar echte situaties, ' zegt Pradhan.

Misschien is hun doel toch niet onmogelijk.