La forza dei denti si dice sulla scala dei millimetri. I sorrisi di porcellana sono un po' come le ceramiche, tranne per il fatto che mentre i piatti di porcellana si frantumano quando vengono sbattuti l'uno contro l'altro, i nostri denti no, ed è perché sono pieni di difetti.

Questi difetti sono ciò che ha ispirato l'ultimo documento condotto da Susanta Ghosh, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica-Ingegneria Meccanica. La ricerca è uscita di recente sulla rivista Mechanics of Materials. Insieme a un team di studenti laureati dedicati, Upendra Yadav, Mark Coldren e Praveen Bulusu e la collega ingegnere meccanico Trisha Sain, Ghosh ha esaminato quella che viene chiamata la microarchitettura di materiali fragili come il vetro e la ceramica.

"Fin dai tempi degli alchimisti si è cercato di creare nuovi materiali, " Ghosh ha detto. "Quello che hanno fatto è stato a livello chimico e noi lavoriamo su microscala. Cambiare le geometrie, la microarchitettura, di un materiale è un nuovo paradigma e apre molte nuove possibilità perché stiamo lavorando con materiali ben noti".

Vetro infrangibile

Il vetro più forte ci riporta ai denti e alle conchiglie. A livello micro, i componenti primari duri e fragili di denti e gusci hanno interfacce o difetti deboli. Queste interfacce sono riempite con polimeri morbidi. Mentre i denti digrignano e le conchiglie urtano, i punti molli attutiscono i piatti duri, lasciandoli scivolare l'uno sull'altro. Sotto ulteriore deformazione, si incastrano come chiusure a strappo o velcro, trasportando così carichi enormi. Ma durante la masticazione, nessuno sarebbe in grado di vedere la forma di un dente cambiare ad occhio nudo. La microarchitettura mutevole avviene sulla scala dei micron, e la sua struttura ad incastro rimbalza fino a quando un caramello appiccicoso o un nocciolo di popcorn canaglia spinge le piastre scorrevoli al punto di rottura.

Quel punto di rottura è ciò che studia Ghosh. I ricercatori nel campo hanno scoperto in esperimenti che l'aggiunta di piccoli difetti al vetro può aumentare la resistenza del materiale di 200 volte. Ciò significa che i difetti morbidi rallentano il fallimento, guidando la propagazione delle cricche, e aumenta l'assorbimento di energia nel materiale fragile.

"Il processo di rottura è irreversibile e complicato perché le architetture che intrappolano la fessura attraverso un percorso predeterminato possono essere curve e complesse, " Ha detto Ghosh. "I modelli con cui lavoriamo cercano di descrivere la propagazione della frattura e la meccanica del contatto all'interfaccia tra due blocchi di costruzione duri e fragili".

Metodo degli elementi finiti

I modelli di microarchitettura in natura si fanno le ossa su una linea temporale evolutiva. Gli scienziati e gli ingegneri dei materiali lavorano in tempi più brevi, quindi stanno sviluppando strumenti per capire i migliori difetti e le loro geometrie ideali. Il metodo degli elementi finiti (FEM) è una di queste tecniche.

FEM è un modello numerico che smonta un insieme complesso valutando pezzi separati, chiamati elementi finiti, quindi rimette tutto insieme utilizzando il calcolo delle variazioni. Humpty Dumpty e tutti gli uomini del re avrebbero voluto FEM, ma non è un rapido trucco lungo la strada. Per eseguire calcoli così complessi è necessario un supercomputer, come Superior alla Michigan Tech, e garantire che gli input giusti vengano collegati richiede diligenza, pazienza e un occhio attento ai dettagli della codifica. Usare FEM per vetri super resistenti significa modellare tutte le possibili interazioni tra le lastre dure del materiale e i punti morbidi.

Modellazione analitica

Ghosh e il suo team hanno riconosciuto che sebbene FEM fornisca soluzioni accurate, richiede tempo e non è adatto quando si lavora con un gran numero di modelli. Così, hanno trovato un'alternativa.

"Volevamo un semplice, modello approssimativo per descrivere il materiale, " Egli ha detto, spiegando che il team ha utilizzato più equazioni matematiche di base rispetto ai calcoli FEM per delineare e descrivere le forme all'interno del materiale e come potrebbero interagire. "Certo, un esperimento è la prova definitiva, ma una modellazione più efficiente ci aiuta ad accelerare il processo di sviluppo e a risparmiare denaro concentrandoci su materiali che funzionano bene nei modelli".

Sia la modellazione FEM che la microarchitettura analitica del laboratorio di Ghosh possono aiutare a realizzare ceramiche, impianti biomedici e il vetro in edifici resistenti come i nostri denti.