Понимание того, как мягкие материалы разрушаются под нагрузкой, имеет огромное значение для решения таких разных инженерных задач, как создание новых медицинских технологий и предотвращение оползней. Новое исследование привело ученых к определению параметра, который они назвали фактором хрупкости. В конечном итоге это поможет инженерам разрабатывать более совершенные материалы, которые будут противостоять различным вызовам.
Ученые химической и биомолекулярной инженерии Университета Иллинойса показали, как твердое и жидкое физические состояния могут существовать в одном и том же материале. Эта область представляет большой интерес из-за ее важности для промышленности, экологии и биомедицины.
В ходе работы команда обнаружила противоречия между учеными, работающими в этой сфере, что привело к возникновению узкого места между теоретическим пониманием поведения мягких материалов и их применением в реальном мире.
Когда мягкие материалы – натуральные или синтетические – деформируются под давлением, они в конце концов достигают критической точки, где либо возвращаются к своей первоначальной форме, либо подвергаются необратимой деформации, такой как растяжение или разрыв эластичного материала. Этот процесс называется текучестью. Постепенный переход к текучести называется вязким поведением, а резкий переход именуют хрупким, говорят исследователи.
«На недавней конференции мы поняли, что те, кто изучает мягкие материалы со всей Европы и Северной Америки, не могут прийти к единому мнению о том, какая связь существует между хрупким и вязким поведением, и как ее определить», – рассказывают ученые.
В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, вместо того чтобы рассматривать поведение мягких материалов как одно или другое – хрупкое или вязкое – команда Роджерса рассматривает спектр поведения при текучести. Это позволило построить континуальную модель, которая привела к открытию фактора хрупкости. Этот фактор имеет решающее значение для определения того, как и почему мягкие материалы разрушаются.
По сути, хрупкость влияет на то, как материал постоянно деформируется под действием напряжения. Модель команды показывает, что чем выше коэффициент хрупкости, тем меньше мягкий материал будет постоянно деформироваться до разрушения.
Как и в предыдущих исследованиях, модель была разработана и проверена на основе данных многочисленных экспериментов, в которых различные мягкие материалы подвергались нагрузкам, а отдельные реакции на деформацию измерялись с помощью прибора, называемого реометром.
«Мы не ожидали, что это исследование объяснит так много. В итоге мы получили способ объединить целый ряд особенностей поведения мягких материалов. Ранее они изучались независимо друг от друга или, возможно, применялись одновременно, но никогда не рассматривались как физически или математически связанные», – сказал Роджерс, автор работы.
Это открытие позволит исследователям точно объяснить, почему некоторые материалы более устойчивы к быстрому разрушению, чем другие, – вопрос, который не давал покоя ученым на протяжении десятилетий. «Этот единственный параметр удивительным образом связывает множество наблюдений, с которыми мы сталкивались на протяжении многих лет», – заключил Камани, соавтор статьи.
[Фото: Galeria del Ministerio de Defensa del Perú / Simon Rogers]