I en tidning publicerad i Naturfysik , Northeastern University Institutionen för fysik, konst och vetenskap, framstående professor Alain Karma, i samarbete med sin postdoktorala forskarassistent Chih-Hung Chen och professor Eran Bouchbinder vid Weizmann Institute of Sciences avdelning för kemisk fysik, upptäckte mekanismen som gör att sprickor beter sig konstigt när de sprider sig väldigt snabbt i spröda material. Resultaten av denna studie kommer att hjälpa forskare att bättre förstå hur ömtåliga material, som glas, keramisk, polymerer, och benbrott – ofta katastrofalt – och hur man bättre kan designa material för att undvika misslyckande.

Karmas mål var att förstå hur saker går sönder, eftersom ett primärt sätt att material misslyckas är genom sprickutbredning, som länge har varit ett problem inom materialvetenskap, konstruktion, och produktutveckling. Mer specifikt, forskargruppen ville förstå hur de mekaniska egenskaperna hos området med hög spänningskoncentration runt kanten av en spricka påverkar sprickdynamiken.

"Medan raka sprickor kan, i princip, rasa genom ett material lika snabbt som ljudets hastighet, de når aldrig den hastigheten av skäl som har förblivit svårfångade, ", sa Karma. "Vi har visat att detta beror på att sprickor blir i sig instabila när deras hastighet är tillräckligt hög. Instabilitet gör att sprickspetsen vinglar från sida till sida och spårar ut en vågig bana genom materialet. Denna instabilitet har helt missats av konventionella teorier om fraktur, som alla antar att förhållandet mellan sträckning och kraft inuti ett material är linjärt, vilket innebär att dubblering av kraften fördubblar mängden sträckning. Vårt arbete visar att detta antagande bryts ner nära sprickspetsen och förklarar hur det olinjära förhållandet mellan sträckning och kraft producerar svängningar med en väldefinierad period som kan relateras till materialegenskaper."

Genom denna forskning, Karma och hans kollegor utvecklade en ny teori för att hjälpa forskare att förutsäga, genom storskaliga datorsimuleringar, dynamiken i en spricka under varierande förhållanden, som har potential att hjälpa till att förstå varför och hur vissa material misslyckas.

Med framgång i denna forskning, Karma hoppas kunna fortsätta med mer relaterat arbete. "Denna studie använde mycket tunna ark av kvasi-2D-material. Vi planerar att utvidga denna studie till 3D-bulkmaterial. I bulk, instabiliteten som förhindrar sprickor från att gå sönder med ljudets hastighet sker med en lägre sprickhastighet än i 2D men mekanismen förstås inte, " han sa.

För att klargöra denna mekanism, teamet planerar att undersöka 3D-fenomenet mikroförgrening, när huvudsprickan delar sig i många mikrosprickor, att förstå dess ursprung i bulkprover av spröda material. "Vi tror att det icke-linjära förhållandet mellan kraft och deformation ligger till grund för mikroförgreningsinstabiliteter, och vi tror att vi kan lösa det problemet, sa Karma.