Tira e sbuccia. Per molti, la frase evoca probabilmente i caratteristici fagottini di liquirizia rossa (e l'unico vero modo per mangiarli). Per gli scienziati dei materiali come Yuris Dzenis dell'Università del Nebraska-Lincoln e i suoi colleghi, anche se, rappresenta un'utile metafora per la struttura sorprendentemente simile delle fibre ad alte prestazioni che si trovano nell'armatura e nell'ingegneria aerospaziale.

Potrebbe anche descrivere una nuova potente tecnica per analizzare e, Dzenis spera, in ultima analisi, combattendo il fallimento di quelle fibre polimeriche, non un decennio troppo presto.

Gli anni '60 e '70 hanno scatenato un diluvio di progressi legati alle fibre, quella che Dzenis definì "una vera rivoluzione" nel migliorare la loro chimica, composizione e lavorazione. Ma quella sorgente si è prosciugata negli anni '80, Egli ha detto, ed è rimasto relativamente sterile da allora.

Un probabile collo di bottiglia? Una comprensione limitata di come le fibre si comportano quando vengono allungate fino al punto di rottura, altrimenti noto come resistenza alla trazione.

"Quello che pensiamo, e anche i nostri collaboratori dell'esercito americano pensano, è che potrebbe essere dovuto alla nostra scarsa comprensione di come queste fibre complesse rispondono al carico, " disse Dzenis, McBroom Professore di ingegneria meccanica e dei materiali. "Nonostante siano stati studiati per cinque decenni, non c'è ancora una piena comprensione dei meccanismi di frattura e deformazione.

"Come sempre, quando vogliamo ottimizzare qualcosa, dobbiamo prima capirlo».

Gli scienziati dei materiali avevano già capito che una fibra ad alte prestazioni è generalmente costituita da tre gerarchie:viticci nanoscopici che sono migliaia di volte più sottili dei capelli umani; microscopico, fasci fitti di quei viticci; e la fibra macroscopica che costituiscono quei fasci. O, in termini pull 'n' peel:singoli fili di liquirizia, i fasci da cui vengono tirati quei fili, e la confezione che li contiene.

Sebbene i ricercatori avessero analizzato la risposta delle fibre su nano e macroscala, nessuno aveva capito come misurare le interazioni tra i fasci microscopici, interazioni che molti sospettavano fossero fondamentali per comprendere alcuni risultati controintuitivi e il processo in generale.

Il dottorando Taylor Stockdale, supervisionato da Dzenis, e i colleghi del laboratorio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti sono stati all'altezza del compito. Stockdale ha ideato una tecnica per incidere minuscole tacche a forma di T nella parte superiore della fibra e staccarne la superficie mentre veniva allungata, il tutto evitando le perturbazioni che invalidano le misurazioni catturate da altre tecniche, l'equivalente nanoscopico di camminare su una fune senza disturbarla. Con le viscere della fibra rivelate, il team è stato quindi in grado di utilizzare metodi più familiari, utilizzando uno strumento di nano-indentazione per misurare le forze che separano i fasci adiacenti e un microscopio sofisticato per l'immagine di quei fasci che si lacerano.

Fatto ciò, il team ha deciso di confrontare il comportamento di due comuni fibre ad alte prestazioni:una fibra di Kevlar costituita da catene polimeriche rigide e un'altra, fibra di polietilene più flessibile. Dzenis e i suoi colleghi erano particolarmente interessati all'analisi della fibrillazione delle fibre, la tendenza dei fasci a strapparsi non nello stesso punto, come in una rottura netta, ma in punti diversi lungo la lunghezza di una fibra, portando all'estrazione del fascio e alla rottura della fibra. Poiché nessuna squadra era mai riuscita a quantificare la separazione tra i fasci, quel processo, proprio come i fasci stessi, era rimasto nascosto sotto la superficie.

Gli esperimenti del team hanno rivelato che era necessaria sostanzialmente meno energia per separare i fasci nella fibra di polietilene a catena flessibile rispetto alla fibra di Kevlar più rigida, aiutando a chiarire perché le fibrillazioni si propagavano molto più lontano lungo la lunghezza delle prime fibre rispetto alle seconde.

Quel dato risultante, e la tecnica che lo ha prodotto, dovrebbe informare i futuri modelli computazionali e alla fine aiutare a ottimizzare i processi di produzione che portano a più resistenti, fibre più durature, hanno detto i ricercatori.

"Per la prima volta, queste informazioni ci hanno permesso di spiegare le differenze nella fibrillazione, " Dzenis ha detto dello studio del team, che recentemente ha abbellito la copertina del giornale Materiali e interfacce applicati ACS . "Stiamo spiegando le differenze attraverso i dati, che è già un grande passo avanti".

Non era l'unico. Dopo aver confrontato la quantità di energia di separazione assorbita su tutte e tre le scale della fibra di polietilene:viticcio, fascio e l'intera fibra:il team ha scoperto che l'energia obbediva a una cosiddetta legge di potenza. In questo caso, l'energia di separazione assorbita sembrava aumentare proporzionalmente con la superficie di separazione portata alla potenza di circa 0,5, il che significa che l'energia è aumentata a un ritmo costantemente rallentato rispetto all'aumento della scala. Quella, a sua volta, suggerito che i viticci dovrebbero essere più facili da separare rispetto ai fasci, e fasci più facili di fibre intere.

E non era tutto. Nelle strutture, lo scaling della legge di potenza è spesso accompagnato da autosomiglianza:un fenomeno in cui parti di una struttura assomigliano alla struttura nel suo insieme, come quando le braccia di un fiocco di neve condividono le caratteristiche strutturali con l'intero fiocco. Abbastanza sicuro, quando il team ha confrontato le immagini della frattura da separazione tra i fasci microscopici e le parti macroscopiche della fibra, ha individuato ponti simili di materiale che attraversano le lacune su entrambe le scale:prove di auto-somiglianza che potrebbero anche aiutare a spiegare la scala della legge di potere.

"Persone in meccanica della frattura, in fisica, di solito festeggiano quando vedono qualcosa del genere, perché è così ricco per la modellazione futura e così via, " Ha detto Dzenis. "E 'anche molto fondamentale. Potrebbe finire per essere al centro di questo complesso, comportamento alla frattura multiscala.

"Prevediamo che le persone ora cercheranno l'autosomiglianza nelle fibre, probabilmente per la prima volta, perché non c'erano prove di niente di simile prima. C'era un collegamento mancante. Adesso ce l'abbiamo".

Le domande rimangono, Dzenis ha detto, il più intrigante dei quali riguarda l'adagio di una catena che si spezza nel suo anello più debole. Questo adagio di solito si applica al fallimento delle strutture, Egli ha detto. Dati i risultati del team sull'energia di separazione assorbita, il principio suggeriva che la peggiore fibrillazione si sarebbe verificata tra i viticci nanoscopici, non i fasci microscopici.

"Ci ha lasciato perplessi, " ha detto. "Questo in realtà ha ritardato la pubblicazione di circa sei mesi. Stavamo andando avanti e indietro; avevamo probabilmente 15 bozze di questo documento fino a quando non abbiamo deciso su questa cosa. Secondo l'energia, la fibrillazione avrebbe dovuto essere su scala nanometrica. Ma qualcosa lo preclude nella fibra, e la fibrillazione maggiore è a scala intermedia. La risposta a questa domanda deve ancora essere formulata o finalizzata, ma ora abbiamo qualche indizio".

Intanto, Dzenis ha detto, le molteplici scoperte del team dovrebbero aiutare gli scienziati dei materiali e gli ingegneri almeno a iniziare a svelare alcuni dei principali fili che hanno confinato il campo per così tanto tempo.

"I processi di produzione della fibra sono complessi e ancora poco compresi, ma alcune cose possono essere modificate:alcune concentrazioni, un po' di chimica, alcuni rapporti di tiraggio e temperature e così via, " ha detto. "Quando li cambiamo, possiamo misurare una proprietà finale della fibra, ma con un meccanismo di errore così complesso ... la proprietà finale è solo un punto dati. Non è sufficiente capire come o perché un cambiamento nell'elaborazione influenzerà il meccanismo di errore. Una migliore comprensione dei dettagli su diverse scale sarà molto, informazioni molto potenti e utili per i ricercatori. Queste informazioni quantitative sono la chiave per sviluppare ulteriormente quei meccanismi e creare nuove superfibre.

"Siamo entusiasti. Non capita spesso di trovare qualcosa di qualitativamente nuovo, figuriamoci quantitativamente inaspettato. Ma questo è solo l'inizio."