Les matériaux interconnectés contenant des réseaux sont omniprésents dans le monde qui nous entoure – rabattre, pneus de voiture, tissus humains et ingénients, feuilles tissées et armure de courrier en chaîne. Les ingénieurs veulent souvent que ces réseaux soient aussi forts que possible et résistent à la fracture et à la défaillance mécaniques.
La propriété clé qui détermine la force d'un réseau est son énergie de fracture intrinsèque, l'énergie la plus basse requise pour propager une fissure à travers une zone unitaire de la surface, la majeure partie du réseau s'effondrer. À titre d'exemples, l'énergie de fracture intrinsèque des réseaux de polymère est d'environ 10 à 100 joules par mètre carré, 50–500 J / m2 Pour les élastomères utilisés dans les pneus de voiture, tandis que la soie d'araignée a une énergie de fracture intrinsèque de 150–200 J / m2.
Jusqu'à présent, il n'y a eu aucun moyen de calculer l'énergie de fracture intrinsèque (IFE) pour un matériau en réseau, étant donné le comportement mécanique et la connectivité de ses constituants.
Publication dans la revue Revue physique xdes scientifiques des États-Unis ont développé une loi d'échelle qui prédit l'IFE d'un large type de réseaux extensibles. L'IFE dépend uniquement des propriétés des brins individuels dans le réseau – combien de force est nécessaire pour briser un brin, la longueur d'un brin lorsqu'il atteint le point de rupture – et la géométrie du réseau – combien de nombreux brins y sont par unité.
L'IFE est alors proportionnel au produit de ces trois quantités. Leur résultat est sauvegardé par des expériences et des simulations à « une largeur de comportements constitutifs de brin, de topologies, de dimensions et d'échelles de longueur, » ils écrivent « , y compris mais sans s'y limiter aux réseaux de type polymère. »
Le résultat s'applique sur plusieurs échelles de longueur d'un nanomètre à un mètre et fonctionne pour une portée d'architectures de réseau bidimensionnelles, telles que des réseaux triangulaires, des réseaux carrés, des réseaux hexagonaux, des réseaux qui sont des réseaux cubiques et cubes centrés sur le corps.
Pour développer la nouvelle loi pour l'énergie de fracture intrinsèque, le groupe des universités du Massachusetts et de la Géorgie aux États-Unis avec un co-auteur d'Inkbit Corporation dans le Massachusetts, réseilla directement des réseaux de nombreux matériaux et les a soigneusement testés.
Ils ont commencé à analyser diverses géométries du réseau en considérant les brins individuels d'une longueur initiale, une longueur finale au point de rupture et la force de rupture du brin. Ces comportements pourraient être linéaires ou non linéaires. Les matériaux en réseau ont été fabriqués en superposant les brins; Il pourrait y avoir jusqu'à quelques milliers de couches pour chaque réseau.
Ils ont commencé avec une équation qui avait été développée dans le livre de 1962 Propriétés physiques des polymères par Frederick J. Bueche, qui a été modifié en 1996 pour une étude sur les propriétés élastiques de l'ADN. Les deux étaient basés sur un modèle d'une chaîne polymère appelée modèle de chaîne articulé librement, qui est une chaîne de segments Kuhn statistiquement indépendants de longueur égale dont les orientations du segment ne sont pas corrélées en l'absence de forces externes.
Les segments de Kuhn sont un segment idéalisé d'une chaîne polymère dont les articulations (à ses segments voisins) sont libres d'aligner indépendamment (encore une fois, l'absence d'une force externe comme un champ magnétique ou électrique).
En modifiant le modèle de test et de validation expérimentaux, ils ont utilisé plusieurs matériaux ayant une gamme de réseaux bidimensionnels et tridimensionnels créés avec un coupe-laser. Les hydrogels Tetra-Poly (éthylène glycol) (hydrogels Tetra-Peg) ont particulièrement reçu l'attention dans leur papier. Cet hydrogel possède des réseaux relativement homogènes, avec une architecture de réseau de réseau diamant cube.
Une machine d'essai universelle Instron a été utilisée pour restreindre le réseau polymère à une extrémité, puis tirer avec une force à l'autre extrémité, jusqu'à ce que le réseau ait déchiré.
Outre les expériences de laboratoire, « nous avons développé un outil de simulation à base de grains grossiers », a déclaré Bolei Deng de l'Institut de technologie de Georgia. La méthode à grains grossiers, qui laisse les brins avec une texture grossière et grossière, reconstruite de gros réseaux avec des degrés de liberté radicalement moins élevés – le nombre de façons dont les chaînes de polymère interconnectées peuvent bouger.
Dans un réseau triangulaire à grain grossier créé pour des simulations, le réseau comportait 4 000 couches verticales et 8 000 couches horizontales, avec un total de 44 847 nœuds et 89 694 degrés de liberté. Les simulations « nous permettent de simuler l'énergie de fracture de réseaux extrêmement grands avec des milliers de couches avec un coût de calcul minimal et de visualiser le flux d'énergie pendant le processus de fracture », a déclaré Deng.
Les applications potentielles pour les matériaux architectés, où les structures et les réseaux dans le matériau lui donnent des propriétés uniques, incluent des actionneurs robotiques doux, l'amélioration de la ténacité et de la durabilité des tissus techniques et la création de réseaux résilients pour les technologies aérospatiales.
« Cette loi d'échelle fournit une feuille de route pour développer des réseaux difficiles et extensibles à partir de zéro », a déclaré l'auteur principal Chase Hartquist, un doctorat. candidat en génie mécanique au Massachusetts Institute of Technology.
« Au lieu de compter sur l'intuition, les scientifiques et les ingénieurs peuvent utiliser ces résultats pour concevoir intentionnellement et construire directement des matériaux de réseau avec des performances ciblées. »
