Понимание того, как мягкие материалы разрушаются под нагрузкой, имеет решающее значение для решения таких разнородных инженерных задач, как фармацевтические технологии и предотвращение оползней. Новое исследование, связывающее спектр поведенческих свойств мягких материалов, которые ранее считались не связанными между собой, привело ученых к выявлению нового параметра, который они называют фактором хрупкости, что позволяет им упростить поведение при разрушении мягкого материала. В конечном итоге это поможет инженерам разрабатывать более совершенные материалы, отвечающие будущим задачам.
Профессор химической и биомолекулярной инженерии Университета штата Иллинойс в Урбане-Шампейне Саймон Роджерс и аспирант Крутарт Камани специализируются на определении того, как мягкие материалы поддаются напряжению, и показали, как твердое и жидкое физические состояния могут существовать вместе в одном и том же материале. Эта область представляет большой интерес из-за ее важности для промышленных, экологических и биомедицинских приложений.
Попутно команда выявила нарушение коммуникации среди ученых, работающих в этой области, что привело к возникновению узкого места между теоретическим пониманием поведения мягких материалов и реальными приложениями.
Когда мягкие материалы — природные или синтетические — деформируются под давлением, они в конечном итоге достигают критической точки, где либо возвращаются к своей первоначальной форме, либо подвергаются остаточной деформации, такой как растяжение или разрыв куска резинки. Этот процесс известен как уступчивость. По словам исследователей, постепенный переход уступчивости называется пластичным поведением, в то время как резкий переход называется хрупким поведением.
«На недавней конференции мы поняли, что все мы, изучающие мягкие материалы со всей Европы и Северной Америки, не можем договориться о том, какова связь между хрупким и пластичным поведением и как ее определить».
В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, вместо того, чтобы рассматривать поведение мягкого материала как одно или другое — хрупкое или пластичное — команда Роджерса рассматривает спектр податливых свойств. Это позволило команде построить модель континуума, что привело к раскрытию фактора хрупкости. Этот фактор имеет решающее значение для определения того, как и почему мягкие материалы выходят из строя.
По сути, хрупкость влияет на то, как материал необратимо деформируется под нагрузкой. Модель команды показывает, что чем выше коэффициент хрупкости, тем меньше мягкий материал будет деформироваться до тех пор, пока не начнет поддаваться.
Как и в прошлых исследованиях команды, модель была разработана и протестирована с использованием данных многочисленных экспериментов, в которых различные мягкие материалы подвергались нагрузке при измерении индивидуальных реакций на деформацию с помощью устройства, называемого реометром.
«Мы не ожидали, что это исследование объяснит так много», — сказал Роджерс, который также является сотрудником Института передовых наук и технологий Бекмана в Университете Флориды. И. «В итоге мы нашли способ объединить целый ряд моделей поведения мягких материалов под одним и тем же физическим зонтиком. Ранее они изучались независимо друг от друга или, возможно, применялись одновременно, но никогда не рассматривались как физически или математически связанные».
Это открытие позволит исследователям точно объяснить, почему некоторые материалы более устойчивы к быстрому податливости, чем другие, вопрос, который ускользал от исследователей на протяжении десятилетий.
«Этот единственный параметр удивительным образом связывает так много загадочных наблюдений, с которыми исследователи сталкивались на протяжении многих лет», — сказал Камани.
«Эта работа знаменует собой точку, в которой мы приближаемся к вершине холма в понимании поведения мягких материалов», — сказал Роджерс. «Мы всегда чувствовали, что каждый шаг поднимает нас выше, но конца этому не видно. Теперь мы можем видеть вершину холма, и мы ближе к вершине и можем двигаться вперед в любом направлении, в котором захотим».
Национальный научный фонд поддержал это исследование.