Door het gedrag van een pak kaarten te bestuderen, en stapels andere materialen, zoals staal en aluminium, wetenschappers van Drexel University bewijzen het bestaan ​​van een knikfenomeen dat optreedt in gelaagde materialen wanneer ze onder druk worden gezet. De ontdekking zou de manier kunnen bepalen waarop onderzoekers - van structurele en mechanische ingenieurs tot geologen en seismologen - de manier bestuderen waarop dingen onder druk vervormen.

Dit fenomeen, beschreven als "knikkend niet-lineair elastisch" gedrag door de onderzoekers van Drexel's Department of Materials Science and Engineering, die het voor het eerst rapporteerden in 2016, kan het best worden omschreven als het scheiden en knikken van de interne lagen van een materiaal wanneer ze vanaf de zijkanten worden samengedrukt. Veelvoorkomende voorbeelden zijn de manier waarop de kaarten in een pak speelkaarten buigen wanneer je ze uit de randen knijpt zonder dat de kaarten uit elkaar gaan, of hoe er soms een rimpel ontstaat in een tapijt als het van de rand wordt geduwd.

In drukbezochte omgevingen zoals deze, of het nu aan de kaarttafel is of in het midden van tektonische platen, iets moet geven. Hun theorie legt precies uit hoe dat "geven" eruit ziet en hoe het gebeurt. In hun recente paper "Ripplocations:A Universal Deformation Mechanism in Solids, " gepubliceerd in het tijdschrift Fysiek beoordelingsmateriaal , de onderzoekers geven de eerste blik op deze interne golven, genaamd "ripplocaties, " die met het blote oog kan worden waargenomen.

"Wat we hier deden, was laten zien dat er ripplocaties bestaan ​​op macroniveau en ze vervolgens op atomair niveau hebben gemodelleerd, en toonde aan dat de respons in wezen hetzelfde was ", zegt Michel Barsoum Ph.D., Distinguished professor in Drexel's College of Engineering en hoofdauteur van het artikel. "Dit is de eerste keer dat ripplocaties in actie zijn gezien en heeft ons geholpen te begrijpen waarom ze omkeerbaar zijn"

Eerder werk van Barsoum suggereerde het bestaan ​​van ripplocaties door gebruik te maken van atomistische simulaties van bulkmaterialen. Dit rapport laat duidelijk de vorming van rimpelbanden zien - binnenlagen die zijn verbogen in golfachtige formaties - zoals ze zich vormen in een stapel kaarten, dunne staal- en aluminiumplaten wanneer ze zijdelings worden samengedrukt terwijl ze zijn opgesloten.

"Het experiment dat we hebben uitgevoerd is eigenlijk heel eenvoudig. In één geval we hebben een pak kaarten vanaf de zijkanten opgesloten en er vanaf de bovenkant op geduwd. Bij een gegeven belasting knikken optreedt, maar omdat het dek beperkt is, ze gedragen zich als golven die volledig omkeerbaar zijn, " zei Leslie Lamberson, doctoraat, een universitair hoofddocent in het College of Engineering en een co-auteur van het papier.

"Met behulp van atomaire simulaties laten we zien dat in grafiet, zoals in het kaartspel, ripplocaties kiemen ergens voordat het materiaal zijn faalpunt bereikt en totdat het dat punt bereikt, het gedrag is volledig omkeerbaar - als de druk wordt weggenomen, de rimpelingen verdwijnen en de lagen keren terug naar hun oorspronkelijke vorm, " zei Garritt Tucker, doctoraat, een assistent-professor aan de Colorado School of Mines en een co-auteur van het artikel.

Ze merkten ook op dat rimpelbanden zich in één keer vormen, met de golven die massaal opkomen als de belasting wordt uitgeoefend. De hoogte van de rimpelingen, of amplitude, verhoogd met de belasting.

"Dit artikel laat zien dat ripplocaties schaalonafhankelijk zijn, Barsoum zei. "Dit eerste onderzoek toonde aan dat ripplocaties bestaan ​​en min of meer volledig omkeerbaar zijn en dat ze energie dissiperen op een manier die we al meer dan een decennium in gelaagde vaste stoffen op atomaire schaal hebben waargenomen. Maar door hetzelfde gedrag te vertonen in gelaagde materialen die we direct kunnen zien, is een belangrijke stap om te bewijzen dat het gedrag voorkomt in materialen van alle soorten en maten."

Barsoum suggereert dat dit onderzoek op een dag geologen zou kunnen informeren die de vervorming van gelaagde geologische formaties bestuderen, en ons te helpen het plaattektonische gedrag dat aardbevingen veroorzaakt beter te begrijpen.

"Het onderzoek naar de vervorming van gelaagde systemen in het algemeen is gebaseerd op hun falen. In dit werk, laten we zien dat er een belangrijke, niet-lineair elastisch regime dat voorafgaat aan falen dat, voor zover wij weten, bijna geheel verwaarloosd. De zaak die we maakten, echter, dat het begrijpen van dit regime cruciaal en fundamenteel is om alle andere te begrijpen, " zij schrijven.