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研究者らは、柔らかい材料が応力を受けるとどのように破壊するかを解明した。

軟質材料がストレス下でどのように破損するかを理解することは、製薬技術や地滑り防止など、さまざまな工学上の課題を解決するために重要です。これまで無関係だと考えられていた軟質材料の挙動の範囲を関連付けた新しい研究により、研究者は脆性係数と呼ばれる新しいパラメータを特定しました。これにより、軟質材料の破損挙動を単純化できます。これは最終的に、エンジニアが将来の課題に対応できるより優れた材料を設計するのに役立つでしょう。 イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の化学および生体分子工学教授サイモン・ロジャース氏と大学院生クルタルト・カマニ氏は、軟質材料が応力に対してどのように屈服するかを専門に研究しており、固体と液体の物理的状態が同一材料内で共存できる仕組みを明らかにしました。この分野は、産業、環境、生物医学の用途にとって重要であるため、大きな関心を集めています。 その過程で、チームはこの分野で研究する科学者の間でコミュニケーションが途絶えており、それが柔らかい材料の挙動に関する理論的理解と現実世界の応用の間にボトルネックを引き起こしていることを確認しました。 天然素材や合成素材などの柔らかい素材が圧力を受けて変形すると、最終的には臨界点に達し、元の形状に戻るか、ゴムが伸びたり折れたりするような永久変形を起こす。このプロセスは降伏と呼ばれる。研究者らによると、緩やかな降伏遷移は延性挙動と呼ばれ、急激な降伏遷移は脆性挙動と呼ばれる。 「最近の会議で、ヨーロッパや北米各地で軟質材料を研究している私たち全員が、脆性挙動と延性挙動の関係やそれをどのように定義するかについて合意できないことに気づきました。」 この研究は、 米国科学アカデミー紀要、 ロジャーズ氏のチームは、軟質材料の挙動を脆性または延性のいずれかとして見るのではなく、降伏挙動のスペクトルを考慮しています。これにより、チームは連続体モデルを構築することができ、脆性係数を発見することができました。この係数は、軟質材料が破損する仕組みと理由を判断する上で非常に重要です。 本質的に、脆さは、材料が応力下で永久的に変形する様子に影響します。チームのモデルは、脆さ係数が高いほど、柔らかい材料が降伏する前に永久的に変形する度合いが少なくなることを示しています。 研究チームの過去の研究と同様に、このモデルは、レオメーターと呼ばれる装置を使用して個々のひずみ反応を測定しながら、さまざまな柔らかい材料に応力をかけた多数の実験のデータを使用して開発およびテストされました。 「この研究がこれほど多くのことを説明してくれるとは思っていませんでした」と、イリノイ大学ベックマン先端科学技術研究所の関係者でもあるロジャーズ氏は言う。「最終的に私たちが見つけたのは、さまざまな柔らかい材料の挙動を同じ物理学の枠組みの下にまとめる方法でした。これまで、それらは個別に研究されていたり、すべて同時に適用されていたりしましたが、物理的にも数学的にもつながっているとは考えられていませんでした。」 この発見により、研究者は、何十年もの間研究者を悩ませてきた疑問である、ある材料が他の材料よりも急速な降伏に対して耐性がある理由を正確に説明できるようになります。 「この単一のパラメータは、研究者が長年にわたり遭遇してきた数多くの不可解な観察結果を驚くほど結びつけている」とカマニ氏は語った。 「この研究は、軟質材料の挙動を理解する上で、われわれが頂点に近づいたことを示すものだ」とロジャーズ氏は言う。「一歩一歩、高みへと向かっていると感じていたが、終わりは見えなかった。今、われわれは頂点を見ることができた。そして、頂点に近づき、望む方向に自由に前進できるのだ」 国立科学財団がこの研究を支援しました。 #研究者らは柔らかい材料が応力を受けるとどのように破壊するかを解明した