Se vuoi vedere cosa succede se il tuo telefono cade sul cemento, puoi effettivamente lasciarlo cadere o lasciare che un ingegnere elabori le conseguenze in anticipo.

Le probabilità sono che andrai con l'ingegnere.

Capire come si comportano i materiali fragili all'interno di un dispositivo, e fallire, è uno degli obiettivi del Brittle Materials Assurance Prediction Program (BritMAPP) dei Sandia National Laboratories. Il programma, che ha avuto inizio due anni fa e durerà fino al 2020, studia i materiali fragili in tre modi:stress e carico; meccanica della frattura per vedere come iniziano e si sviluppano le cricche; e la relazione tra proprietà del materiale e struttura.

materiali fragili, come il vetro, fallire improvvisamente e catastroficamente. A differenza dei metalli, che si ammaccano o si piegano se cadono, i materiali fragili si rompono. "Lasci cadere un martello, e potrebbe piegarsi; fai cadere il vetro e si frantumerà. E 'fatto, "ha detto Ryan Jamison, che lavora con Brenton Elisberg e altri colleghi sulla parte di stress e carico del progetto.

Si concentrano su come un guasto improvviso influisce sulle prestazioni, affidabilità e sicurezza di componenti e sistemi dove la rottura ha gravi conseguenze, come dispositivi medici o satelliti.

I materiali fragili più resistenti in grado di gestire le imbracature e le frecce della vita quotidiana andranno a beneficio di tutti i tipi di dispositivi e, in definitiva, le persone che usano quei dispositivi. un giorno, potrebbe non essere così preoccupante quando si fa cadere accidentalmente un telefono cellulare.

Sandia vuole sviluppare la scienza, tecnologia e comprensione per garantire che i componenti fragili nei sistemi ad alta conseguenza rimangano completamente funzionanti per una durata di 30 anni. I ricercatori di BritMAPP stanno sviluppando modelli meccanici e scoprendo proprietà fondamentali e relazioni strutturali in modo da poter passare dal giudizio ingegneristico qualitativo alle previsioni quantitative di rottura e affidabilità dei materiali fragili.

I giudizi di ingegneria qualitativa sono decisioni basate sull'esperienza e sul confronto dei risultati (A è migliore di B), mentre le previsioni quantitative sono accurate in base al comportamento fisico di un materiale. "Vogliamo passare dal fare confronti, 'A è meglio di B, ma non sappiamo davvero quanto sia buono A, ' a prendere decisioni basate su qualità misurabili, 'A è meglio di B perché A durerà 10 anni in più di B, '", ha detto Jamison. "Essere in grado di quantificare con precisione la differenza è la chiave".

Anche se ha sottolineato che c'è molto lavoro da fare, "siamo già iniziati bene lungo quel percorso."

Utilizzo di modelli per prevedere quanto dureranno le parti

Poiché non è possibile testare ogni possibile scenario, i ricercatori raccolgono dati per modelli informatici attraverso esperimenti di laboratorio, misurare le proprietà dei materiali per capire come si comportano le cose. I modellisti creano una rappresentazione al computer di un oggetto e quindi applicano leggi fisiche per prevedere come i materiali si comportano meccanicamente:cosa succede quando vengono allungati o schiacciati.

"È qui che la modellazione è preziosa, " Jamison ha detto. "Possiamo fare previsioni accurate su cose per le quali non possiamo ottenere dati. Può aiutarci a capire perché sta fallendo, non solo perché sta fallendo, ma cosa sta causando il fallimento. Possiamo esaminare le cose in modo molto diverso rispetto a te da un test, dove non puoi tagliare tutto fino a pezzi microscopici e vedere quante parti devi esaminare prima di capire davvero."

Prendi un cellulare come esempio. "I telefoni sono fatti di plastica, vetro e altri tipi di materiali. Le equazioni governano il comportamento di questi materiali e noi applichiamo quelle equazioni a quei materiali sotto forma di telefono, " Jamison ha detto. "Poi applichiamo ambienti diversi, come far cadere il telefono. Simuliamo che in un computer, e attraverso le equazioni che rappresentano questi materiali possiamo determinare se il vetro o altri componenti del telefono si rompono."

Per dare risposte quantitative accurate, i ricercatori devono comprendere le sollecitazioni a cui sono sottoposti i materiali. È difficile misurare lo stress stesso, così i ricercatori misurano la deformazione o la deformazione risultante. Per esempio, spingeranno uno strumento rigido in un materiale fragile e misureranno come si diffondono le crepe per dedurre lo stato di stress.

Misurano anche le proprietà dei materiali. "Sono un po' più semplici perché stai misurando la risposta diretta di un materiale a causa di un carico noto che viene applicato, " Elisberg ha detto. "Una volta che abbiamo le proprietà dei materiali, abbiamo più fiducia che i nostri modelli prevedano con precisione lo stress. Il problema è che dobbiamo ancora capire quale stress è necessario per rompere il materiale".

Modelli sofisticati, i supercomputer rendono possibile la simulazione della complessità

Grazie a modelli più sofisticati e a supercomputer in continuo miglioramento, le simulazioni sono diventate più complesse, catturare il comportamento dei materiali non rilevabile anche poco tempo fa.

Ancora, modelli estremamente sofisticati richiedono tempo per funzionare anche con i supercomputer. La scorsa estate, Elisberg ha eseguito una simulazione per 72 ore su centinaia di processori, simulando una lunghissima serie di cicli di test termici. Sarebbe stato impossibile due anni fa a causa della potenza di elaborazione del computer inadeguata e dei modelli che non erano abbastanza sofisticati per catturare la fisica che interessa a Sandia.

Il team sta anche determinando quanta complessità è necessaria.

"Se i progettisti di componenti vogliono solo sapere se il Design A è migliore del Design B, Posso dirti che in fretta, " ha detto Elisberg. "Se vuoi sapere in modo più specifico se e quando il Design A fallirà, poi è quando eseguiamo una simulazione più complessa che può essere eseguita su un computer per giorni, ma ora abbiamo la capacità di prevedere o almeno avere un'idea molto migliore di quando il progetto è vicino al fallimento".

Jamison ed Elisberg lavorano con sigilli vetro-metallo, componenti vitali per inviare segnali elettrici attraverso sistemi ermeticamente sigillati. Le guarnizioni vetro-metallo sono onnipresenti in tutto, dai dispositivi medici alle telecomunicazioni che affrontano alte temperature, pressione o shock. Sono anche importanti negli usi della sicurezza nazionale che hanno requisiti di sopravvivenza e durata della vita molto più severi, Elisberg e Jamison hanno detto.

"Il requisito della vita è dove stiamo cercando di andare con questo programma di previsione della garanzia dei materiali fragili, " Jamison ha detto. "In questo momento possiamo fare previsioni su cosa accadrebbe con queste guarnizioni vetro-metallo e fornire una guida qualitativa a progettisti e ingegneri. Ma abbiamo quell'applicazione di conseguenza più alta. Dobbiamo poter dire con un certo livello di certezza che questi componenti dureranno per 30 anni, e avere una spiegazione scientifica e sui materiali del perché."

Il passo successivo sono gli esperimenti per convalidare le previsioni di durata. "Riteniamo che il comportamento venga modellato in modo accurato, ma deve ancora essere convalidato in applicazioni più complesse, " ha detto Elisberg.

"È quel matrimonio di esperimenti e modellazione, " Jamison ha detto. "Con le scoperte che gli sperimentali hanno fatto, con i progressi nella modellazione che abbiamo fatto, possiamo prendere le informazioni che gli sperimentali stanno osservando, inseriscilo nei modelli e fai previsioni più accurate."