Ağlar içeren birbirine bağlı malzemeler çevremizdeki dünyada her yerde bulunur – subber, araba lastikleri, insan ve tasarlanmış dokular, dokuma çarşaflar ve zincir posta zırhı. Mühendisler genellikle bu ağların mümkün olduğunca güçlü olmasını ve mekanik kırığa ve arızaya direnmesini ister.
Bir ağın mukavemetini belirleyen temel özellik, iç kırık enerjisidir, bir çatlakı yüzeyin bir birim alanında yaymak için gereken en düşük enerjidir, ağın büyük kısmı parçalanır. Örnek olarak, polimer ağlarının iç kırık enerjisi, metrekare başına yaklaşık 10 ila 100 joule, 50-500 j/m’dir.2 Araba lastiklerinde kullanılan elastomerler için, Örümcek İpek’in 150-200 j/m’lik içsel kırılma enerjisi vardır2.
Şimdiye kadar, bileşenlerinin mekanik davranışı ve bağlantısı göz önüne alındığında, ağa bağlı bir malzeme için iç kırık enerjisini (IFE) hesaplamanın bir yolu yoktu.
Dergide Yayıncılık Fiziksel inceleme xABD’den bilim adamları, geniş bir tür gerilebilir ağların IFE’sini öngören bir ölçeklendirme yasası geliştirdiler. IFE sadece ağdaki tek tek ipliklerin özelliklerine bağlıdır – bir ipliği kırmak için çok fazla kuvvet, bir ipliğin kırılma noktasına ulaştığında ve ağın geometrisine – birim alan başına birçok iplik vardır.
IFE daha sonra bu üç miktarın ürünü ile orantılıdır. Sonuçları, “polimer benzeri ağlar da dahil olmak üzere ancak bunlarla sınırlı olmamak üzere” yazıyorlar “yazdıkları” yazarlar, topolojiler, boyutlar ve uzunluk ölçeklerinin genişliği “için deneyler ve simülasyonlar ile desteklenmektedir.
Sonuç, bir nanometreden bir metreye kadar çok uzunluk ölçekleri arasında geçerlidir ve üçgen ağlar, kare ağlar, altıgen ağlar, vücut merkezli kübik ve kübik kafesler gibi iki ve üç boyutlu ağ mimarilerinin bir süresi için çalışır.
İçsel kırılma enerjisi için yeni yasayı geliştirmek için, Massachusetts’teki Massachusetts ve Gürcistan’daki üniversitelerden grup, Massachusetts’teki Inkbit Corporation’dan ortak yazarla, doğrudan birçok materyalin ağlarını topladı ve onları dikkatlice test etti.
Başlangıç uzunluğunun bireysel ipliklerini, kırılma noktasında son uzunluk ve ipliğin rüptür kuvvetini göz önünde bulundurarak çeşitli ağ geometrilerini analiz etmeye başladılar. Bu davranışlar doğrusal veya doğrusal olmayabilir. Ağa bağlı malzemeler, ipliklerin katmanlanmasıyla üretildi; Her ağ için birkaç bin katman olabilir.
1962 kitabında geliştirilmiş bir denklemle başladılar Polimerlerin fiziksel özellikleri 1996 yılında DNA’nın elastik özellikleri üzerine bir çalışma için değiştirilen Frederick J. Bueche tarafından. Her ikisi de, segment yönleri dış kuvvetlerin yokluğunda ilişkisiz olan eşit uzunlukta istatistiksel olarak bağımsız Kuhn segmentlerinin zinciri olan serbestçe eklemli zincir modeli adı verilen bir polimer zincir modeline dayanıyordu.
Kuhn segmentleri, eklemleri (komşu segmentlerine) bağımsız olarak hizalamakta serbest olan bir polimer zincirinin idealize edilmiş bir segmentidir (yine manyetik veya elektrik alanı gibi dış kuvvetin yokluğu).
Deneysel test ve validasyon için modeli değiştirerek, bir lazer kesici ile oluşturulan iki boyutlu ve üç boyutlu ağlara sahip birkaç malzeme kullandılar. Tetra polisi (etilen glikol) hidrojeller (tetra-peg hidrojelleri) özellikle makalelerinde dikkat çekti. Bu hidrojel, elmas kübik kafes ağı mimarisine sahip nispeten homojen ağlara sahiptir.
Bir uçta polimer ağını kısıtlamak için bir Instron Universal test makinesi kullanıldı, daha sonra ağ yırtana kadar diğer ucunda bir kuvvetle çekmek.
Georgia Teknoloji Enstitüsü’nden Bolei Deng, laboratuvar deneylerinin yanı sıra “kaba tahıl bazlı bir simülasyon aracı geliştirdik” dedi. İplikleri kaba, kaba bir doku ile bırakan kaba taneli yöntem, büyük ağları büyük ölçüde daha az serbestlik derecesine sahip-birbirine bağlı polimer zincirlerinin hareket edebileceği yolların sayısı.
Simülasyonlar için oluşturulan bir kaba taneli üçgen ağda, ağda toplam 44.847 düğüm ve 89.694 serbestlik ile 4.000 dikey katman ve 8.000 yatay katman vardı. Simülasyonlar “son derece büyük ağların kırılma enerjisini minimum hesaplama maliyeti olan binlerce katmanla simüle etmemize ve kırılma işlemi sırasında enerji akışını görselleştirmemize izin veriyor.” Dedi.
Materyal içindeki yapıların ve ağların benzersiz özellikler verdiği, yumuşak robotik aktüatörler, tasarlanmış dokuların tokluğunu ve dayanıklılığını arttıran ve havacılık ve uzay teknolojileri için esnek kafeslerin oluşturulmasını içerir.
Doktora baş yazar Chase Hartquist, “Bu ölçeklendirme yasası, sıfırdan zorlu, gerilebilir ağlar geliştirmek için bir yol haritası sunuyor.” Dedi. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde Makine Mühendisliği adayı.
“Bilim adamları ve mühendisler sezgiye güvenmek yerine, bu bulguları kasıtlı olarak tasarlamak ve doğrudan hedefli performansa sahip ağ malzemelerini tasarlamak için kullanabilirler.”
