Wenn einem die Lieblingstasse herunterfällt oder man sich auf die Brille setzt, ist man zu sehr damit beschäftigt, das komplexe Netz von Rissen zu bemerken, das auf dem zerbrochenen Gegenstand entstanden ist. Die Entstehung dieser Muster festzuhalten, ist das Spezialgebiet von John Kolinski und seinem Team vom Labor für Mechanik flexibler Grenzflächen der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und -techniken der EPFL. Sie versuchen zu verstehen, wie sich Risse in spröden Festkörpern ausbreiten. Dies ist entscheidend für die Entwicklung und Prüfung von Verbundwerkstoffen, die sowohl sicher als auch kostengünstig sind und im Bauwesen, im Sport und in der Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt werden sollen.
Traditionelle mechanische Ansätze zur Analyse der Rissbildung gehen jedoch davon aus, dass Risse planar sind, d.h. dass sie sich auf der zweidimensionalen Oberfläche eines Materials bilden. Tatsächlich sind einfache, ebene Risse nur die Spitze des Eisbergs: Die meisten Risse, wie z. B. in gewöhnlichen spröden Festkörpern wie Glas, verlaufen in dreidimensionalen Netzwerken aus Rillen und anderen komplexen Merkmalen.
Aufgrund der Undurchsichtigkeit der Materialien und der schnellen Rissbildung ist es äußerst schwierig, diese Komplexität in Echtzeit zu beobachten. Mithilfe eines Schweizer Taschenmessers und eines konfokalen Mikroskops gelang dies John Kolinski und seinem Team vor kurzem und sie entdeckten einen positiven Zusammenhang zwischen der Komplexität der Risse und der Zähigkeit der Materialien.
"Die Energie, die ein Riss zum Fortschreiten benötigt, wird traditionell als Materialeigenschaft angesehen, aber unsere Arbeit liefert einzigartige Erkenntnisse über die wichtige Rolle der Geometrie. Mit zunehmender Komplexität der geometrischen Eigenschaften am Ende des Risses kann ein Material widerstandsfähiger werden, da ein komplexer Riss mehr Verformungsenergie benötigt als ein einfacher Riss, um voranzukommen", sagt John Kolinski. "Dies weist auf eine wichtige Lücke in der aktuellen Theorie der 3D-Risse hin."
Die Ergebnisse des Labors wurden kürzlich in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht.
Eine grundlegende Verbindung zwischen Länge und Stärke
Die Methode der Forscherinnen und Forscher bestand darin, hauchdünne Scheiben aus vier verschiedenen Hydrogelen und einem Elastomer herzustellen. Die Hydrogele waren durchsichtig und spröde, ließen sich aber leicht verformen und messen, ohne zu brechen. Sie dienten als Ersatz, um zu verstehen, wie sich Risse in Glas und spröden Kunststoffen bilden. Elastomere waren auch ein Ersatz für Materialien wie Gummi und Silikonpolymere.
Die Wissenschaftler beobachteten die experimentellen Risse mit einem hochmodernen konfokalen Mikroskop. Die Risse wurden durch ein klassisches Schweizer Taschenmesser verursacht: Die Scherwirkung erzeugte auf natürliche Weise geometrisch komplexe Risse in den Hydrogelproben. Mit Hilfe eines vom EMSI-Team entwickelten Geräts zur Kontrolle der Ausrichtung und Beladung der Proben wurde eine Reihe von Fluoreszenzbildern mit dem Konfokalmikroskop erzeugt und dann gestapelt, um eine einzigartige dreidimensionale Karte jeder Bruchfläche zu erstellen.
"Es ist seit langem bekannt, dass Risse komplex werden können, wenn man die Bruchflächen im Nachhinein untersucht, aber dabei geht das Verständnis für die Belastungsbedingungen zum Zeitpunkt der Rissentstehung oder für die Kräfte, denen die Probe ausgesetzt war, verloren", erklärt John Kolinski. "Unsere innovative Bildgebungsmethode hat es ermöglicht, diese Beziehung in situ rigoros zu charakterisieren."
Kurz gesagt, diese Experimente zeigten, dass die zum Reißen der Probe benötigte Deformationsenergie direkt proportional zur Länge der Riss-Enden war. Dies legt nahe, dass die erhöhte geometrische Komplexität eines 3D-Risses mit zunehmendem Rissfortschritt eine größere Bruchfläche erzeugt, die zusätzliche Deformationsenergie erfordert, um den Riss voranzutreiben.
In einem anderen Experiment zeigten die Wissenschaftler, dass, wenn sich ein glatterer Riss einem starren, in die Probe eingebauten Hindernis näherte, die Plansymmetrie des Risses aufgebrochen wurde, was sowohl die Länge des Rissendes als auch die für das Fortschreiten des Risses erforderliche Energie erhöhte.
"Die Tatsache, dass wir isolieren können, wie die geometrische Komplexität bei einer solchen Heterogenität im Material entsteht, könnte zu neuen Designansätzen führen", sagt John Kolinski. "Unsere Arbeit unterstreicht auch, wie wichtig es ist, bei der Durchführung von Materialprüfungen vorsichtig zu sein, da wir nun wissen, dass jede geometrische Abweichung von einer ebenen Rissfront zu einer falschen Messung - und einer potenziell gefährlichen Überschätzung - der Zähigkeit des Materials führen kann."
