Eine neue Theorie hilft vorherzusagen, wann weiche Materialien versagen

Forscher unter der Leitung eines Teams der University of Massachusetts Amherst kündigten kürzlich einen großen theoretischen und experimentellen Durchbruch an, der es Wissenschaftlern ermöglicht, mit beispielloser Präzision vorherzusagen, wann ein weiches Material reißt und versagt. Die Ergebnisse, veröffentlicht in der Proceedings of the National Academy of Sciences, haben unmittelbare Auswirkungen auf das Engineering und die Herstellung einer breiten Palette von Polymeren. Sie geben auch Aufschluss darüber, wie natürliche weiche Materialien – wie das Bindegewebe in unserem Körper und sogar unser Gehirn – abgebaut werden.

Es hat sich als teuflisch komplex erwiesen, vorherzusagen, wann ein weiches Material wie ein Gel oder ein Elastomer reißt und versagt. „Es war ein Rätsel“, sagt Alfred Crosby, Professor für Polymerwissenschaft und -technik an der UMass Amherst und einer der leitenden Autoren der Veröffentlichung. Da Wissenschaftler nicht genau vorhersagen konnten, wann ein weiches Material versagen wird, überarbeiten Designer ihre Produkte normalerweise und empfehlen, sie eher früher als später zu ersetzen, nur um sicherzugehen. „Aber wenn wir genau vorhersagen könnten, wann ein Produkt versagt und unter welchen Bedingungen“, sagt Crosby, „könnten wir Materialien auf die effizienteste Weise entwickeln, um diese Bedingungen zu erfüllen.“

Das Knacken dieser speziellen Nuss, die vom Naval Force Health Protection Program des Office of Naval Research unterstützt wurde, erforderte eine multidisziplinäre Anstrengung von Alfred Crosby, Gregory Tew, ebenfalls Professor für Polymerwissenschaften an der UMass Amherst, und Robert Riggleman, Professor für Chemie und Biomolekulartechnik an der University of Pennsylvania. Mit einer Kombination aus hochpräziser Chemie, detaillierter und innovativer Computermodellierung und feinkörnigen experimentellen Daten modifizierte die Gruppe eine ältere Theorie namens Lake-Thomas-Theorie mit Hilfe eines neueren Molekularmodells namens Real Elastic Network Theory ( MIETEN).

„Infolgedessen“, sagt Ipek Sacligil, Doktorand in Polymerwissenschaften an der UMass Amherst und einer der Co-Hauptautoren der Veröffentlichung, „können wir jetzt genau vorhersagen, wenn ein weiches Material bei beiden versagt, wenn wir nur die molekularen Bestandteile verwenden Molekular- und Produktebene.“

Christopher Barney, einer der anderen Co-Lead-Autoren der Arbeit und zum Zeitpunkt des Abschlusses dieser Forschungsarbeit Doktorand an der UMass, sagt: „Dieses Projekt unterstreicht, wie wichtig es ist, moderne wissenschaftliche Probleme aus mehreren Perspektiven anzugehen in der Lage, eine umfassende Geschichte zu erschaffen, die weitaus größer ist als die Summe ihrer Teile.“

„Dieser Fortschritt stellt ein fehlendes Bindeglied zwischen Chemie und Materialwissenschaft und Technik für Polymernetzwerke dar“, sagt Crosby, der feststellt, dass diese Forschung Teil eines viel größeren, laufenden Projekts ist, um die Mechanik der Kavitation oder die plötzliche, instabile Rissbildung zu verstehen Ausdehnungen in weichen Materialien und Geweben.