Ostörda material - t.ex. cellskum, fiber- och polymernätverk - är populära i applikationer som sträcker sig från arkitektur till biomedicinsk byggnadsställning. Att förutsäga när och var dessa material kan misslyckas kan inte bara påverka de material som för närvarande används, men även framtida design. Forskare från North Carolina State University och University of California Los Angeles kunde förutse sannolika felpunkter i tvådimensionella oordnade laserskurna galler utan att behöva studera detaljerade tillstånd för materialet.

Det inre av oordnade material bildas av ett nätverk av förbindelser mellan smala balkar som skär varandra i olika punkter - eller noder - genom hela materialet. Deras struktur tillåter både kompression och deformation, gör det möjligt för dem att motstå olika typer av våld.

Estelle Berthier, postdoktor vid NC State och huvudförfattare till en artikel som beskriver forskningen, för att avgöra om det är möjligt att förutsäga var fel är mest sannolikt att inträffa i ett oordnat nätverk. Berthier och medförfattare Karen Daniels, professor i fysik vid NC State, genererade gitter baserade på kontaktnätverk som observerades inom granulära material och tittade på en egenskap som kallas geodesic edge betweenness centrality (GEBC).

"Vikten av en kant i ett nätverk är när det gäller dess förmåga att ansluta olika delar av nätverket med den kortaste vägen, " säger Berthier. "I vårt modellgaller, när du ansluter varje nod i nätverket som tar den kortaste vägen, du använder en av dessa balkar, eller kanter. Om du går igenom en viss kant mycket, då har den kanten hög centralitet. Tänk på att använda den kortaste vägen, eller väg, mellan två städer. Centralitetsvärdet är den mest populära vägen på den kortaste vägen."

I samarbete med UCLA-matematikern Mason Porter, forskarna använde en datoralgoritm för att beräkna GEBC för gittret och fann att kanter med ett högre centralitetsvärde än medelvärdet var de mest benägna att misslyckas.

"Om du har högre trafik på en viss väg, då är det mer slitage, " säger Berthier. "På liknande sätt, ett högre centralitetsvärde innebär att en viss väg inom materialet hanterar mer krafttrafik, ' och bör övervakas mer noggrant eller kanske stödjas på något sätt."

Forskarna fann att GEBC-värdena enbart räckte för att identifiera felplatser i materialet.

"En av de saker som förvånade mig med resultaten var att beräkningarna inte kräver att vi känner till några av materialens egenskaper, precis hur delarna har kopplats samman, " säger Daniels. "Självklart, vi kan göra förutsägelserna ännu starkare genom att inkludera information om de fysiska interaktionerna i våra beräkningar."

Forskningen visas i Förfaranden från National Academy of Sciences och fick stöd av James S. McDonnell Foundation.