Wetenschappers van de Rice University hebben vastgesteld dat hoe groot of klein een stuk tobermoriet ook is, het zal op precies dezelfde manier reageren op belastingskrachten. Maar door er met een scherpe punt in te prikken, verandert zijn kracht.

Tobermoriet is een natuurlijk voorkomend kristallijn analoog van het calciumsilicaathydraat (CSH) waaruit cement is opgebouwd. die op zijn beurt beton bindt, het meest gebruikte materiaal ter wereld. Een vorm van tobermoriet die door de oude Romeinen werd gebruikt, wordt beschouwd als een sleutel tot de legendarische sterkte van hun onderzeese betonconstructies.

Het fijn gelaagde materiaal zal op verschillende manieren vervormen, afhankelijk van de standaardkrachten - afschuiving, compressie en spanning - worden toegepast, maar de vervorming zal consistent zijn tussen steekproefomvang, volgens rijstmateriaalwetenschapper Rouzbeh Shahsavari. Hij voerde het onderzoek uit, die verschijnt in Natuur 's open toegang Wetenschappelijke rapporten , met hoofdauteur en afgestudeerde student Lei Tao.

Voor hun laatste onderzoek, Shahsavari en Tao bouwden moleculaire dynamische modellen van het materiaal. Hun simulaties onthulden drie belangrijke moleculaire mechanismen die aan het werk zijn in tobermoriet die waarschijnlijk ook verantwoordelijk zijn voor de sterkte van CSH en andere gelaagde materialen. Een daarvan is een verplaatsingsmechanisme waarbij atomen onder spanning collectief bewegen terwijl ze proberen in evenwicht te blijven. Een andere is een diffusiemechanisme waarbij atomen chaotischer bewegen. Ze ontdekten dat het materiaal zijn structurele integriteit het beste behoudt onder afschuiving, en minder onder druk- en dan trekbelasting.

Interessanter voor de onderzoekers was het derde mechanisme, waardoor bindingen tussen de lagen werden gevormd bij het persen van een nano-indenter in het materiaal. Een nano-indenter is een apparaat (in dit geval gesimuleerd) dat wordt gebruikt om de hardheid van zeer kleine hoeveelheden materialen te testen. De hoge spanning op het inkepingspunt veroorzaakte lokale fasetransformaties waarbij de kristallijne structuur van het materiaal vervormde en sterke bindingen tussen de lagen creëerde, een fenomeen dat niet wordt waargenomen onder standaardkrachten. De sterkte van de binding hing af van zowel de hoeveelheid kracht als, in tegenstelling tot de stressoren op macroschaal, de grootte van de punt.

"Er is aanzienlijke spanning net onder het kleine puntje van de nano-indenter, ' zei Shahsavari. 'Dat verbindt de aangrenzende lagen. Zodra u de punt verwijdert, de structuur gaat niet terug naar de oorspronkelijke configuratie. Dat is belangrijk:deze transformaties zijn onomkeerbaar.

"Naast het verschaffen van fundamenteel inzicht in de belangrijkste vervormingsmechanismen, dit werk onthult de ware mechanische respons van het systeem onder kleine gelokaliseerde (versus conventionele) belastingen, zoals nano-inspringing, " zei hij. "Als het veranderen van de tipgrootte (en dus de interne topologie) de mechanica gaat veranderen, bijvoorbeeld, het materiaal sterker maken, dan zou men deze functie kunnen gebruiken om het systeem beter te ontwerpen voor bepaalde plaatselijke belastingen."

Shahsavari is een assistent-professor civiele en milieutechniek en materiaalwetenschap en nano-engineering.