על ידי שימוש בטכניקות הדמיה חדשניות, חוקרים הראו שמורכבות הסדקים מגבירה את קשיחות החומר, מאתגרת את ההשקפות המסורתיות ומציעה גישות חדשות בעיצוב ובדיקות חומרים. קרדיט: twoday.co.il.com
על ידי לכידת הצצה נדירה להיווצרות סדקים תלת מימדיים במוצקים שבירים, חוקרי EPFL מצאו שסדקים מורכבים דורשים יותר אנרגיה להתקדם מאשר סדקים פשוטים; תגלית שיכולה לשפר בדיקות ופיתוח חומרים.
בפעם האחרונה שהפלת ספל אהוב או התיישבת על המשקפיים שלך, אולי היית טרוד מכדי לשים לב הרבה לדפוס הסדקים המורכב שהופיע בחפץ השבור. אבל לכידת היווצרותם של דפוסים כאלה היא המומחיות של ג'ון קולינסקי והצוות שלו במעבדה למכניקה הנדסית של ממשקים רכים (EMSI) בבית הספר להנדסה של EPFL. הם שואפים להבין כיצד מתפשטים סדקים במוצקים שבירים, דבר חיוני לפיתוח ובדיקה של חומרים מרוכבים בטוחים וחסכוניים לשימוש בבנייה, ספורט והנדסת תעופה וחלל.
המדענים גרמו לסדקים בדגימות הידרוג'ל עם אולר שוויצרי סטנדרטי. קרדיט: EMSI EPFL CC BY SA
הבנת מורכבות 3D Crack
אבל גישות מכניקה מסורתיות לניתוח היווצרות סדקים מניחות שהסדקים הם מישוריים – כלומר, שהם נוצרים על פני השטח הדו-ממדי של חומר. למעשה, סדקים מישוריים פשוטים הם רק קצה הקרחון: רוב הסדקים – כמו אלה במוצקים שבירים כמו זכוכית – מתפשטים לרשתות תלת מימדיות של רכסים ותכונות מורכבות אחרות.
בשל אטימות החומר והמהירות שבה נוצרים סדקים, התבוננות במורכבות זו בזמן אמת היא קשה ביותר. אבל עכשיו, חמושים באולר שוויצרי ובמיקרוסקופ קונפוקאלי, קולינסקי והצוות שלו הצליחו לעשות בדיוק את זה – והם גילו מתאם חיובי בין מורכבות הסדקים וקשיחות החומר בתהליך.
"האנרגיה הנדרשת להנעת סדקים נחשבה באופן מסורתי לתכונה חומרית, אך העבודה שלנו מניבה תובנות ייחודיות לגבי תפקיד המפתח של הגיאומטריה: כלומר, על ידי הגדלת המורכבות של תכונות גיאומטריות בקצה הסדק, ניתן להפוך חומר לקשיח יותר ביעילות , כי נדרשת יותר אנרגיית עקה כדי לקדם סדק מורכב מאשר סדק פשוט", אומר קולינסקי. "זה מדגיש פער חשוב בתיאוריה הנוכחית של סדקים תלת מימדיים."
תוצאות המעבדה פורסמו לאחרונה ב פיזיקת הטבע.
קישור בסיסי בין אורך לחוזק
שיטת החוקרים כללה יצירת פרוסות דקות מאוד של ארבעה הידרוג'לים שונים ואלסטומר. ההידרוג'לים שקופים ושבירים, אך קלים לעיוות ולמדידה מבלי להתנפץ, שימשו פרוקסי להבנה כיצד נוצרים סדקים בזכוכית ובפלסטיק שביר. האלסטומר היה גם פרוקסי לחומרים כמו גומי ופולימרי סיליקון.
בעוד שהסדקים הניסויים נצפו עם מיקרוסקופ קונפוקאלי חדיש, הם מושרו באמצעות אולר שוויצרי סטנדרטי: פעולת הגזירה של המספריים של המכשיר יצרה באופן טבעי סדקים מורכבים מבחינה גיאומטרית בדגימות ההידרוג'ל. באמצעות מכשיר מותאם אישית שפותח על ידי צוות EMSI כדי לשלוט על יישור וטעינת דגימות, נוצרה סדרה של תמונות פלורסנט עם המיקרוסקופ הקונפוקאלי, ולאחר מכן נערמה כדי להרכיב מפה ייחודית תלת מימדית של כל משטח שבר.
"אנשים יודעים מזמן שסדקים יכולים להפוך למורכבים על ידי הסתכלות על משטחי שבר לאחר מעשה, אבל מה שאבד הוא ההבנה של תנאי הטעינה כשהסדק הגיח, או לאילו כוחות הדגימה נחשפה", מסביר קולינסקי. "שיטת ההדמיה החדשנית שלנו אפשרה לאפיין את הקשר הזה בקפדנות במקום."
עיבוד של נתוני חזית סדק תלת מימדית בהידרוג'ל שביר שהוקלט במיקרוסקופ פלואורסצנטי קונפוקאלי. קרדיט: EMSI EPFL CC BY SA
תובנות והשלכות ניסיוניות
בקצרה, ניסויים אלו גילו כי אנרגיית המתח הנדרשת להנעת סדקי הדגימה הייתה פרופורציונלית ישירה לאורכם של קצות הסדקים. זה מצביע על כך שהמורכבות הגיאומטרית המוגברת של סדק תלת-ממדי מייצרת יותר משטח שבר ככל שהסדק מתקדם, ובכך דורשת אנרגיית מתח נוספת כדי להניע אותו.
בניסוי אחר הראו החוקרים כיצד, כאשר סדק חלק יותר התקרב למכשול נוקשה המוטבע בדגימה, נשברה הסימטריה המישורית של הסדק, והגדילה הן את אורך קצה הסדק והן את האנרגיה הנדרשת להנעת הסדק קדימה.
"העובדה שאנו יכולים לבודד כיצד נוצרת מורכבות גיאומטרית עם חוסר הומוגניות כזו בחומר יכולה להניע גישות עיצוב חדשות", אומר קולינסקי. "העבודה שלנו גם מדגישה את החשיבות של זהירות בביצוע בדיקות חומרים, מכיוון שכעת אנו יודעים שכל סטייה גיאומטרית מחזית סדק מישורית עלולה להוביל למדידה שגויה – ועלולה להעריך יתר על המידה – של קשיחות החומר."
