Nový obecný zákon řídí energii lomu sítí napříč materiály a měřítky

Materiály jako pneumatiky, lidské tkáně a pavučiny se liší svým složením, ale všechny obsahují sítě vzájemně propojených vláken. Dlouholetá otázka týkající se odolnosti těchto materiálů zní: Jaká je energie potřebná k rozlomení těchto rozmanitých sítí? Nedávno publikovaná práce výzkumníků MIT nabízí nové poznatky.

„Naše zjištění odhalují jednoduchý, obecný zákon, který řídí energii lomu sítí napříč různými materiály a měřítky,“ říká Xuanhe Zhao, profesor mechanického a stavebního a environmentálního inženýrství na MIT. „Tento objev má významné důsledky pro návrh nových materiálů, konstrukcí a metamateriálů, což umožňuje vytvářet systémy, které jsou neuvěřitelně pevné, měkké a roztažitelné.“

Navzdory zavedenému pochopení důležitosti odolnosti proti poruchám při návrhu takových sítí neexistoval žádný stávající fyzikální model, který by efektivně spojoval mechaniku vláken a konektivitu k předpovědi hromadného lomu – až doposud. Tento nový výzkum odhaluje univerzální škálovací zákon, který propojuje délková měřítka a umožňuje předpovídat vnitřní energii lomu rozmanitých sítí.

„Tato teorie nám pomáhá předpovídat, kolik energie je potřeba k rozbití těchto sítí šířením trhliny,“ říká Chase Hartquist, jeden z hlavních autorů článku. „Ukázalo se, že můžete navrhnout pevnější verze těchto materiálů tak, že vlákna budou delší, roztažitelnější nebo odolnější vůči vyšším silám před zlomením.“

Aby ověřili své výsledky, tým vytiskl 3D obří roztažitelnou síť, která jim umožnila demonstrovat vlastnosti lomu v praxi. Zjistili, že navzdory rozdílům v sítích se všechny řídily jednoduchým a předvídatelným pravidlem. Kromě změn samotných vláken lze síť zpevnit také propojením vláken do větších smyček.

„Úpravou těchto vlastností by pneumatiky mohly vydržet déle, tkáně by lépe odolávaly zranění a pavučiny by se mohly stát odolnějšími,“ říká Hartquist.

Shu Wang, postdoktorand v Zhaoově laboratoři a další hlavní autor článku, nazval výsledky výzkumu „extrémně uspokojujícím okamžikem… znamenalo to, že stejná pravidla lze použít k popisu široké škály materiálů, což usnadňuje návrh nejlepšího materiálu pro danou situaci.“

Výzkumníci vysvětlují, že tato práce představuje pokrok v vzrušujícím a rozvíjejícím se oboru zvaném „architektonické materiály“, kde struktura uvnitř materiálu sama o sobě dává jedinečné vlastnosti. Říkají, že objev vrhá světlo na to, jak tyto materiály ještě více zpevnit, a to zaměřením se na návrh segmentů uvnitř architektury, aby byly silnější a roztažitelnější. Strategie je přizpůsobitelná pro materiály napříč obory a lze ji použít ke zlepšení odolnosti měkkých robotických pohonů, zvýšení houževnatosti inženýrských tkání nebo dokonce k vytvoření odolných mřížek pro leteckou technologii.

Jejich článek s otevřeným přístupem, „Škálovací zákon pro vnitřní energii lomu rozmanitých roztažitelných sítí“, je nyní k dispozici v Physical Review X, předním časopise v interdisciplinární fyzice.