Genom att göra specialdesignade slitsar i plexiglas, Danska forskare har gjort det starkare, lättare och mer flexibel. Den nya kunskapen kan användas för att tillverka mikrochips, till exempel, mycket mer hållbart.

Genom att skära ett geometriskt mönster i ett material, forskare från Aarhus Universitet och Turner Research Group från University of Pennsylvania i USA har förändrat materialets mekaniska egenskaper och förbättrat dess tolerans mot brott.

I deras experiment, forskarna använde plexiglas som modellmaterial och lade till ett antal specialdesignade snitt, på så sätt ta bort en del av materialet. Plexiglas är vanligtvis sprött och glasliknande, så det är sårbart för frakturer. Med den nya tekniken, produkten blir lättare än originalet, starkare och mer robust.

Tekniken producerar det som kallas ett mekaniskt metamaterial, vilket innebär att materialets egenskaper förändras, enbart genom att ändra dess geometriska struktur. Därför, materialet får i första hand sina egenskaper från den geometriska strukturen snarare än sin kemiska sammansättning.

Upptäckten har beskrivits i den berömda Journal of the Mechanics and Physics of Solids .

"I projektet, vi testade en geometrisk dubbel fribärande balkform, som kan representera ett brett utbud av produkter, inklusive mikrochips. Vid tillverkning av mikrochips, komponenten har en tendens att spricka eftersom den är gjord av ett sprött material. Genom att introducera dessa specialdesignade snitt, komponenten blir mer flexibel och mindre ömtålig. Effekten kommer från den nya geometrin, som kan sprida spänningsbelastningar över ett större område, vilket minskar spänningssingulariteten som är ansvarig för bildning och tillväxt av sprickor, säger Simon Heide-Jørgensen, en postdoc och forskare på projektet.

Forskargruppen gjorde ett antal laserskärningar i materialet, därigenom ändrar dess geometri nära de förväntade spänningssingulariteterna. Detta innebär att det är möjligt att få materialet att spricka genom design (eller on-demand), dvs följ nedskärningarna. Detta ökar avsevärt komponentens motståndskraft mot sprickor och brott.

"Istället för att koncentrera sig i en singularitet, spänningar sprider sig nu längs snitten vi har gjort i materialet. Materialet tål en större belastning innan det går sönder. När en fraktur uppstår, det kommer att växa längs skären, och detta kommer att sakta ner den och därigenom hämma ytterligare spricktillväxt. Materialet får en större tolerans mot spricktillväxt och det blir mycket mindre skört, säger Simon Heide-Jørgensen.

Förutom att göra materialet mer motståndskraftigt mot sprickor, snitten gör den mer flexibel och lättare, och, i princip, minska materialförbrukningen.