Sammenkoblede materialer, der indeholder netværk, er allestedsnærværende i verden omkring os – Rumber, bildæk, menneskelige og konstruerede væv, vævede lagner og kæde mail -rustning. Ingeniører ønsker ofte, at disse netværk skal være så stærke som muligt og modstå mekanisk brud og fiasko.
Den vigtigste egenskab, der bestemmer styrken på et netværk, er dets iboende brudenergi, den laveste energi, der kræves for at udbrede en revne gennem et enhedsområde på overfladen, med hovedparten af netværket, der falder fra hinanden. Som eksempler er den iboende brud energi fra polymernetværk ca. 10 til 100 joules pr. Kvadratmeter, 50–500 j/m2 Til elastomerer, der bruges i bildæk, mens edderkoppesilke har en iboende brud energi på 150–200 j/m2.
Indtil nu har der ikke været nogen måde at beregne den iboende brudenergi (IFE) for et netværksmateriale i betragtning af den mekaniske opførsel og tilslutning af dens bestanddele.
Udgivelse i tidsskriftet Fysisk gennemgang xforskere fra USA har udviklet en skaleringslov, der forudsiger IFE af en bred type strækbare netværk. IFE afhænger kun af egenskaberne ved individuelle tråde i netværket – hvor meget kraft kræves for at bryde en streng, længden af en streng, når den når brudspunktet – og netværkets geometri – hvor mange tråde der er pr. Enhedsareal.
IFE er derefter proportional med produktet af disse tre mængder. Deres resultat er sikkerhedskopieret af eksperimenter og simuleringer til “en bredde af strengkonstitutiv adfærd, topologier, dimensionaliteter og længde skalaer”, de skriver “, herunder men ikke begrænset til polymerlignende netværk.”
Resultatet gælder på tværs af skalaer med flere længder fra et nanometer til en meter og fungerer i en periode med to- og tredimensionelle netværksarkitekturer, såsom trekantede netværk, firkantede netværk, hexagonale netværk, netværk, der er kropscentrerede kubiske og kubiske ledninger.
For at udvikle den nye lov for iboende brud energi, samlede gruppen fra universiteter i Massachusetts og Georgien i USA med en medforfatter fra Inkbit Corporation i Massachusetts direkte netværk af mange materialer og testede dem omhyggeligt.
De begyndte at analysere forskellige netværksgeometrier ved at overveje individuelle strenge i en indledende længde, en sidste længde ved brudspunktet og strengens brudkraft. Denne opførsel kan være lineær eller ikke -lineær. Netværksmaterialer blev fremstillet ved lagdeling af trådene; Der kan være så mange som et par tusinde lag for hvert netværk.
De startede med en ligning, der var udviklet i bogen 1962 Fysiske egenskaber hos polymerer af Frederick J. Bueche, som blev ændret i 1996 til en undersøgelse af de elastiske egenskaber ved DNA. Begge var baseret på en model af en polymerkæde kaldet den frit sammenføjede kædemodel, som er en kæde af statistisk uafhængige Kuhn -segmenter med samme længde, hvis segmentorienteringer er ukorreleret i fravær af eksterne kræfter.
Kuhn -segmenter er et idealiseret segment af en polymerkæde, hvis led (til dets nærliggende segmenter) er frie til at tilpasse sig uafhængigt (igen, fraværet af en ekstern kraft, såsom et magnetisk eller elektrisk felt).
Ændring af modellen til eksperimentel test og validering brugte de flere materialer med en række to-dimensionelle og tredimensionelle netværk oprettet med en laserskærer. Tetra-poly (ethylenglycol) hydrogeler (Tetra-PEG-hydrogeler) fik især opmærksomhed i deres papir. Denne hydrogel besidder relativt homogene netværk med en diamantkubikgitternetværksarkitektur.
En Instron Universal Testing Machine blev brugt til at begrænse polymernetværket i den ene ende og derefter trække med en kraft i den anden ende, indtil netværket rev.
Udover laboratorieeksperimenter, “udviklede vi et groft-korn-baseret simuleringsværktøj,” sagde Bolei Deng fra Georgia Institute of Technology. Den grovkornede metode, der efterlader trådene med en ru, grov struktur, rekonstrueret store netværk med drastisk færre frihedsgrader-antallet af måder de sammenkoblede polymerkæder kan bevæge sig på.
I et grovkornet trekantet netværk oprettet til simuleringer havde netværket 4.000 lodrette lag og 8.000 vandrette lag med i alt 44.847 noder og 89.694 frihedsgrader. Simuleringerne “giver os mulighed for at simulere bruddeenergien fra ekstremt store netværk med tusinder af lag med minimale beregningsomkostninger og visualisere energistrømmen under brudprocessen,” sagde Deng.
Potentielle anvendelser til arkitekterede materialer, hvor strukturer og netværk inden for materialet giver det unikke egenskaber, inkluderer bløde robotaktuatorer, der forbedrer sejheden og holdbarheden af konstruerede væv og oprettelse af elastiske gitter til luftfartsteknologier.
“Denne skaleringslov giver en køreplan for at udvikle hårde, strækbare netværk fra bunden af,” sagde hovedforfatter Chase Hartquist, en ph.d. Kandidat i maskinteknik ved Massachusetts Institute of Technology.
“I stedet for at stole på intuition, kan forskere og ingeniører bruge disse fund til med vilje at designe og direkte konstruere netværksmaterialer med målrettet ydelse.”