Julia Greer, professor i materialvetenskap, mekanik och medicinteknik vid Caltechs avdelning för teknik och tillämpad vetenskap, skapar material av byggstenar i mikro- och nanoskala som är ordnade i sofistikerade arkitekturer som kan vara periodiska, som ett galler, eller godtycklig. Beskrivs som "arkitektat material, "de uppvisar ibland ovanliga egenskaper. Till exempel, Greer har skapat keramik med skumliknande återvinningsbarhet, lätta men ultrastarka ramar som kan studsa tillbaka efter kompression, och mekaniskt robusta batterier.

Arbetar med Yong-Wei Zhang från Institute of High Performance Computing i Singapore, Greer har bestämt att misslyckandet hos arkitektonerade material – punkten där de går sönder när de komprimeras eller sträcks ut – kan beskrivas med klassisk kontinuummekanik, som modellerar ett materials beteende som en kontinuerlig massa snarare än som individuella (eller "diskreta") partiklar.

Detta fynd antyder en dualitet till naturen hos dessa material – genom att de kan ses både som individuella partiklar och även som ett enda kollektiv. Greer och Zhangs resultat tillkännagavs i en tidning publicerad av tidskriften Avancerade funktionella material den 13 december.

Arkitekterade material är intressanta för ingenjörer på grund av deras ofta ovanliga egenskaper, men deras beteende kan vara svårt att förutsäga. Det är omöjligt att veta hur de kommer att reagera på stress förrän de skapas i ett labb och testas. Som sådan, skapandet av dessa material har till stor del varit försök och misstag:forskare skulle drömma om nya gitterstrukturer och sedan krossa och sträcka dem för att se hur starka de var. Även om denna process har lett till några intressanta upptäckter, att kunna förutsäga hur ett givet gitter kommer att prestera under tryck innan det faktiskt bygger det skulle göra det lättare för ingenjörer att skapa specialbyggda material.

Teamet tillverkade ett galler av ihåliga, 50 nanometer tjocka aluminiumoxidbalkar, och sedan genomförde "misslyckande" tester:de placerade gallret under spänning och registrerade när och hur det sprack. Testerna visade att materialet har ett förhållande mellan styrka och densitet, eller "specifik styrka, " det är fyra gånger högre än för något annat rapporterat material hittills.

Viktigt, misslyckade tester gjorde att laget kunde skapa en teori för hur arkitekterade material misslyckas i allmänhet. "Denna nya analys ger oss ett mycket kraftfullt tillvägagångssätt för att designa nya material som är särskilt motståndskraftiga mot skador och sönderrivning samtidigt som de håller en exceptionellt låg vikt, "Säger Greer.

Att förstå när och hur ett material misslyckas är avgörande om det ska vara användbart i verkliga tillämpningar, där det aldrig skulle skjutas bortom felpunkten. Sådan information gör det möjligt att skapa nya material som är lättare och starkare än något som ännu inte producerats - och som kommer att misslyckas på ett enkelt sätt, förutsägbara sätt. Däremot många konventionella (det vill säga icke-byggda) material misslyckas plötsligt och på sätt som kan vara svåra att förutse och beskriva, säger Greer.

Uppsatsen har titeln "Discrete-Continuum Duality of Architected Materials:Failure, brister, och fraktur."