Tändernas styrka berättas på millimeterskalan. Porslinsleenden är ungefär som keramik – förutom att medan porslinsplåtar krossas när de slås mot varandra, våra tänder gör det inte, och det är för att de är fulla av defekter.

Dessa defekter är det som inspirerade den senaste tidningen ledd av Susanta Ghosh, biträdande professor vid institutionen för maskinteknik-mekanik. Forskningen kom nyligen ut i tidskriften Mechanics of Materials. Tillsammans med ett team av hängivna doktorander – Upendra Yadav, Mark Coldren och Praveen Bulusu – och andra mekaniska ingenjörer Trisha Sain, Ghosh undersökte vad som kallas mikroarkitekturen för spröda material som glas och keramik.

"Sedan alkemisternas tid har människor försökt skapa nya material, Ghosh sade. "Vad de gjorde var på den kemiska nivån och vi arbetar i mikroskala. Att förändra geometrierna – mikroarkitekturen – hos ett material är ett nytt paradigm och öppnar upp för många nya möjligheter eftersom vi arbetar med välkända material."

Sprängsäkert glas

Starkare glas tar oss tillbaka till tänderna – och snäckskal. På mikronivå, de primära hårda och spröda komponenterna i tänder och skal har svaga gränssnitt eller defekter. Dessa gränssnitt är fyllda med mjuka polymerer. När tänder gnisslar och snäckor stöter, de mjuka fläckarna dämpar de hårda plattorna, låta dem glida förbi varandra. Under ytterligare deformation, de låser sig som kardborrefästen eller kardborreband, bär därmed stora laster. Men medan man tuggar, ingen skulle kunna se formen på en tand förändras med blotta ögat. Den skiftande mikroarkitekturen sker på skalan av mikron, och dess sammankopplade struktur studsar tills en klibbig karamell eller skurk popcornkärna pressar de glidande plattorna till bristningsgränsen.

Den brytpunkten är vad Ghosh studerar. Forskare inom området har i experiment funnit att tillförsel av små defekter till glas kan öka styrkan på materialet 200 gånger om. Det betyder att de mjuka defekterna bromsar felet, vägleda spridningen av sprickor, och ökar energiupptaget i det spröda materialet.

"Fejlprocessen är oåterkallelig och komplicerad eftersom arkitekturerna som fångar sprickan genom en förutbestämd väg kan vara krökta och komplexa, "Ghosh sa. "Modellerna vi arbetar med försöker beskriva sprickutbredning och kontaktmekaniken vid gränssnittet mellan två hårdspröda byggstenar."

Finita elementmetod

Mikroarkitekturmönster i naturen skär sina tänder på en evolutionär tidslinje. Materialvetare och ingenjörer arbetar inom kortare spann, så de utvecklar verktyg för att ta reda på de bästa defekterna och deras ideala geometrier. Finita elementmetoden (FEM) är en sådan teknik.

FEM är en numerisk modell som tar isär en komplex helhet genom att utvärdera separata delar – kallade finita element – ​​och sedan sätter ihop allt igen med hjälp av variationskalkylen. Humpty Dumpty och alla kungens män skulle ha gillat FEM, men det är inget snabbt vägknep. För att köra sådana komplexa beräkningar krävs en superdator, som Superior på Michigan Tech, och att se till att rätt ingångar kopplas in kräver noggrannhet, tålamod och ett skarpt öga för kodningsdetaljer. Att använda FEM för superstarkt glas innebär att modellera alla möjliga interaktioner mellan materialets hårda plattor och mjuka fläckar.

Analytisk modellering

Ghosh och hans team insåg att även om FEM tillhandahåller korrekta lösningar, det är tidskrävande och inte lämpligt när man arbetar med ett stort antal modeller. Så, de kom på ett alternativ.

"Vi ville ha en enkel, ungefärlig modell för att beskriva materialet, " han sa, för att förklara använde teamet mer grundläggande matematiska ekvationer än FEM-beräkningarna för att skissera och beskriva formerna i materialet och hur de kan interagera. "Självklart, ett experiment är det ultimata testet, men effektivare modellering hjälper oss att påskynda utvecklingsprocessen och spara pengar genom att fokusera på material som fungerar bra i modellerna."

Både FEM och analytisk mikroarkitekturmodellering från Ghoshs labb kan hjälpa till att göra keramik, biomedicinska implantat och glaset i byggnader lika tuffa som våra tänder.