Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Manier gevonden om breuken te beheersen

Stijve materialen breken gemakkelijker dan flexibele. Deze simpele constatering leidt tot een manier om de breedte van een barst te voorspellen en beheersen. Theoretisch begrip van hoe materialen breken is handig in bijvoorbeeld de productie van auto’s en beeldschermen. Publicatie in PNAS.

Als je ooit de pech hebt gehad om een arm te breken, vroeg je je toen af waarom het bot brak, en niet de huid? Het was tenslotte de huid die de eerste impact te verduren kreeg. Vanuit onze intuïtie weten we dat stijve materialen gemakkelijker breken dan flexibele.

Breuk

De onderzoeksgroep van theoretisch fysicus Vincenzo Vitelli aan de Universiteit Leiden en zijn collega’s van het Nagel Lab hebben dit verschijnsel nu gebruikt om materialen te ontwerpen die moeilijker breken. Een stijf materiaal heeft veel verbindingen en genereert een smalle breuk in een bijna rechte lijn (zie figuur 1a). Een materiaal met minder verbindingen is zachter en produceert een diffuse breukregio: een barst die zelfs zo wijd kan zijn als het complete sample (zie figuur 1b). In dat geval breekt het materiaal niet, dankzij zijn flexibiliteit. Om deze ontdekking te doen, hebben de fysici kunstmatige structuren—genaamd metamaterialen—gesimuleerd en gebouwd met variabele aantallen verbindingen die op ongewone manieren breken. Ze publiceren hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS.

Einstein

Eerder publiceerde Vitelli’s groep samen met het Irvine Lab een artikel in Nature Materials over het pad dat een barst volgt terwijl het zich een weg baant door een gebogen dunne laag. Ze ontdekten een opmerkelijke parallel met Einsteins algemene relativiteitstheorie, waarin een lichtstraal wordt gebogen door de kromming van de ruimte. In het geval van een breuk wordt het pad van de barst gebogen door de kromming van het onderliggende oppervlak (zie figuur 2).
‘Wanneer je een theorie hebt over hoe dingen breken, heb je controle over de eigenschappen van echte materialen,’ zegt Vitelli. ‘Dit is in potentie handig. Je wilt bijvoorbeeld een barst wegleiden van een bepaald gedeelte in een structuur, zoals het midden van een brillenglas. Of je kunt, om een breuk überhaupt te voorkomen, flexibele metamaterialen ontwerpen.’

Publicatie

'The role of rigidity in controlling material failure', Michelle M. Driscoll, Bryan Gin-ge Chen, Thomas H. Beuman, Stephan Ulrich, Sidney R. Nagel, and Vincenzo Vitelli, PNAS


Figuur 1. (a)Simulaties laten een stijve structuur zien met veel verbindingen die een rechte, dunne barst genereren als het breekt. (b)In een zachte structuur met weinig verbindingen, zijn de gebroken verbindingen (getoond in kleur) verdeeld over een barst die zo breed kan zijn als het complete sample. (c)Een experimentele realisatie van een zachte structuur, met gebruik van cellulair metamateriaal.
Figuur 2. (a)Theoretische berekeningen van het pad van de barst (getoond als een zwarte lijn) op een gekromd oppervlak waarop een kristallijne monolaag is gedeponeerd. De gekromde plekken zijn afgebeeld in rood en blauw. Het pad van de barst is gebogen, net zoals licht wordt afgebogen door de kromming van de ruimte. (b)Experimentele realisatie van een gebogen barst in een gekromde ruimte.