Da bi saznali koliko je materijal čvrst, inženjeri moraju pronaći njegovu razbijanje

Inženjeri su napravili proboj u razumijevanju koliko je čvrst materijal tako što su identificirali njegovu tačku lomljenja kroz detaljnu molekularnu analizu.

Istraživački je tim usredotočio se na magnezijev aluminatni spinel, poznat po iznimnoj čvrstoći i otpornosti na udarce i toplinski šok. Ovaj se materijal, koji se često naziva prozirnim aluminijem, obično koristi u vojnim postavkama zbog svoje superiorne izdržljivosti u usporedbi s tradicionalnim staklom. Studija je imala za cilj razumjeti kako se materijal ponaša pod stresom ispitivanjem interakcije između pukotina i granica zrna na molekularnoj razini.

Tim je proveo eksperimente koristeći tehniku koja se zove bicristalno testiranje, u kojoj su stvorili male uzorke koji se sastoje od samo dva zrna, postavljene s obje strane granice jednog zrna.

John Lambros, profesor zrakoplovnog inženjerstva na Sveučilištu Illinois Urbana-Champaign, objasnio je da su prethodni rezultati bili široko prihvaćeni, ali nepotpuni. Shvatili smo da čvrstoća granične čvrstoće zrna ovisi o tome kako ga učitati, rekao je. Povući ga daje vam jednu vrijednost. Kako bi se pozabavili ovom jazom, istraživači su osmislili i otvor i konfiguraciju šišanja, što im omogućuje da izmere svaku vrstu sile neovisno. Rezultati su pokazali da je čvrstoća šišanja znatno veća od čvrstoće otvaranja, što dovodi u pitanje postojeće pretpostavke o kvaru materijala.

Lambros je koristio jednostavnu analogiju kako bi ilustrirao razliku: Da bi razbio drveni štapić, primijenite pritisak na oba kraja i on se slomi u sredini. Ne možete ga razbiti klizanjem. Primjenjujući ovaj princip na spinel materijal, tim je izmjerio relativne sile potrebne za savijanje u odnosu na klizanje materijala, pružajući vrijedne podatke o njegovim mehaničkim svojstvima.

Ovaj rani rad služio je kao dokaz koncepta, pokazujući da se precizna optička mjerenja mogu izvesti na mikroskopskoj razini pomoću prijenosnog elektronskog mikroskopa. Uspeh ovih preliminarnih testova otvorio je put za složenije analize kristalne strukture.

Lambros je primijetio da bi svojstva materijala mogle dovesti do značajnog poboljšanja sigurnosti i učinkovitosti u industrijama s visokim ulozima. Jedan od najvećih izazova u studiji bio je ispravna priprema uzoraka zrna. Tim je morao stvoriti iznimno male komadiće, veličine samo 2 mm x 2 mm, s specifičnim markerima vidljivim pod naprednim mikroskopima. To im je omogućilo precizno lociranje i pokretanje pukotina za promatranje.