Materiali disordinati, come schiume cellulari, reti in fibra e polimeri, sono popolari in applicazioni che vanno dall'architettura alle impalcature biomediche. Prevedere quando e dove questi materiali potrebbero guastarsi potrebbe avere un impatto non solo sui materiali attualmente in uso, ma anche progetti futuri. I ricercatori della North Carolina State University e dell'Università della California di Los Angeles sono stati in grado di prevedere probabili punti di guasto in reticoli tagliati al laser disordinati bidimensionali senza dover studiare gli stati dettagliati del materiale.

L'interno dei materiali disordinati è formato da una rete di connessioni tra esili travi che si intersecano in vari punti, o nodi, in tutto il materiale. La loro struttura consente sia la compressione che la deformazione, consentendo loro di resistere a diversi tipi di forza.

Estelle Berthier, ricercatore post-dottorato presso NC State e autore principale di un articolo che descrive la ricerca, stabilito per determinare se è possibile prevedere dove è più probabile che si verifichi un guasto in una rete disordinata. Berthier e la coautrice Karen Daniels, professore di fisica alla NC State, reticoli generati in base alle reti di contatto osservate all'interno dei materiali granulari e si è osservato una proprietà nota come centralità del bordo geodetico tra i margini (GEBC).

"L'importanza di un edge in una rete è in termini di capacità di connettere diverse parti della rete utilizzando il percorso più breve, " dice Berthier. "Nel nostro reticolo modello, quando colleghi ogni nodo della rete prendendo il percorso più breve, tu usi uno di questi raggi, o bordi. Se attraversi spesso un limite particolare, allora quel bordo ha un'alta centralità. Pensa a utilizzare il percorso più breve, o strada, tra due città. Il valore della centralità è la strada più popolare su quel percorso più breve."

In collaborazione con il matematico dell'UCLA Mason Porter, i ricercatori hanno utilizzato un algoritmo informatico per calcolare il GEBC per il reticolo e hanno scoperto che i bordi con un valore di centralità più elevato rispetto alla media avevano maggiori probabilità di fallire.

"Se hai più traffico su una strada particolare, poi c'è più usura, " dice Berthier. "Allo stesso modo, un valore di centralità più alto significa che un particolare percorso all'interno del materiale ha a che fare con un traffico di forza maggiore, ' e dovrebbe essere monitorato più da vicino o forse rafforzato in qualche modo".

I ricercatori hanno scoperto che i soli valori GEBC erano sufficienti per identificare i siti di guasto nel materiale.

"Una delle cose che mi ha sorpreso dei risultati è che i calcoli non richiedono la conoscenza di nessuna delle proprietà dei materiali, proprio come le parti sono state collegate insieme, " dice Daniels. "Certo, possiamo rendere le previsioni ancora più forti includendo informazioni sulle interazioni fisiche nei nostri calcoli".

La ricerca appare in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ed è stato sostenuto dalla Fondazione James S. McDonnell.