Pull 'n' peeling. För många, frasen frammanar förmodligen signaturbuntarna av röd lakrits (och det enda riktiga sättet att äta dem). Till materialforskare som University of Nebraska–Lincolns Yuris Dzenis och hans kollegor, fastän, det representerar en användbar metafor för den förvånansvärt liknande strukturen hos de högpresterande fibrerna som finns inom pansar- och rymdteknik.

Det kan också beskriva en kraftfull ny teknik för att analysera och Dzenis hoppas, slutligen bekämpa misslyckandet med dessa polymerfibrer – inte ett decennium för tidigt.

1960- och 70-talen släppte lös en syndaflod av fiberrelaterade framsteg, vad Dzenis kallade "en sann revolution" för att förbättra deras kemi, sammansättning och bearbetning. Men den källan torkade ut på 1980-talet, han sa, och har förblivit relativt karg sedan dess.

En trolig flaskhals? Ett begränsat grepp om hur fibrer beter sig när de sträcks till bristningsgränsen, annars känd som draghållfasthet.

"Vad vi tycker, och våra medarbetare i den amerikanska armén tänker också, är att det kan bero på vår dåliga förståelse för hur dessa komplexa fibrer svarar på belastning, sa Dzenis, McBroom Professor i maskin- och materialteknik. "Trots att de har studerats i fem decennier, det finns fortfarande ingen fullständig förståelse för brottmekanismer och deformation.

"Som alltid, när vi vill optimera något, vi måste förstå det först."

Materialforskare har redan förstått att en högpresterande fiber i allmänhet består av tre hierarkier:nanoskopiska rankor som är tusentals gånger tunnare än människohår; mikroskopisk, tätt packade buntar av dessa rankor; och den makroskopiska fiber som dessa buntar utgör. Eller, i pull 'n' peel termer:individuella lakritssträngar, buntarna dessa trådar dras från, och paketet som innehåller dem.

Även om forskare hade analyserat hur fibrer svarade på nano- och makroskala, ingen hade kommit på hur man skulle mäta interaktionerna mellan de mikroskopiska buntarna – interaktioner som många misstänkte var avgörande för att förstå vissa kontraintuitiva fynd och processen överlag.

Dzenis-ledda doktoranden Taylor Stockdale och kollegor vid U.S. Army Research Laboratory klarade uppgiften. Stockdale utarbetade en teknik för att etsa in små T-formade skåror i toppen av fibern och dra tillbaka dess yta medan den sträcktes, allt samtidigt som man undviker störningarna som ogiltigförklarade mätningar som fångats med andra tekniker – den nanoskopiska motsvarigheten till att gå ett lina utan att störa det. Med fiberns mag avslöjad, teamet kunde sedan använda mer välbekanta metoder, med hjälp av ett instrument med nanoindragning för att mäta krafterna som skiljer intilliggande buntar och ett sofistikerat mikroskop för att avbilda dessa buntar som rivs isär.

Efter att ha gjort det, teamet försökte jämföra beteendet hos två vanliga högpresterande fibrer:en kevlarfiber bestående av styva polymerkedjor och en annan, mer flexibel polyetenfiber. Dzenis och hans kollegor var särskilt intresserade av att analysera fiberflimmer, buntarnas tendens att gå sönder inte på samma ställe – som i ett rent brott – utan på olika ställen längs en fibers längd, leder till buntutdragning och fiberfel. Eftersom inget team någonsin hade lyckats kvantifiera separationen mellan paket, den processen, ungefär som själva buntarna, hade förblivit gömd under ytan.

Teamets experiment visade att betydligt mindre energi krävdes för att separera buntar i polyetenfibern med flexibel kedja än i den styvare Kevlar-fibern, hjälper till att klargöra varför flimmer fortplantade sig mycket längre längs längden av de förstnämnda fibrerna än de senare.

De resulterande uppgifterna, och tekniken som gav det, bör informera framtida beräkningsmodeller och så småningom hjälpa till att optimera tillverkningsprocesser som leder till mer motståndskraftiga, långvariga fibrer, sa forskarna.

"För första gången, denna information gjorde det möjligt för oss att förklara skillnaderna i flimmer, "Dzenis sa om lagets studie, som nyligen prydde tidningens omslag ACS tillämpade material och gränssnitt . "Vi förklarar skillnaderna genom data, vilket redan är ett stort genombrott."

Det var inte den enda. Efter att ha jämfört mängden absorberad separationsenergi vid alla tre skalorna av polyetenfibern—rankor, bunt och hel fiber — teamet fann att energin följde en så kallad maktlag. I detta fall, den absorberade separationsenergin verkade öka proportionellt med separationsytan taget till effekten av cirka 0,5, vilket innebär att energin ökade i en konsekvent avtagande takt i förhållande till skalökningen. Den där, i tur och ordning, föreslog att rankor borde vara lättare att separera än buntar, och buntar lättare än hela fibrer.

Och det var inte allt. I strukturer, maktlagsskalning åtföljs ofta av självlikhet:ett fenomen där delar av en struktur liknar strukturen som helhet, som när armarna på en snöflinga delar strukturella egenskaper med hela flingan. Säker nog, när teamet jämförde bilder av separationsfraktur mellan de mikroskopiska buntarna och de makroskopiska fiberdelarna, den upptäckte liknande broar av material som spänner över luckorna på båda skalorna – bevis på självlikhet som också kan hjälpa till att förklara skalningen av maktlagar.

"Människor inom frakturmekanik, i fysik, de brukar fira när de ser något sånt här, eftersom det är så rikt för framtida modellering och så vidare, "Dzenis sa. "Det är också väldigt grundläggande. Det kan sluta vara kärnan i detta komplex, multiscale frakturbeteende.

"Vi förväntar oss att folk nu kommer att leta efter självlikhet i fibrer, förmodligen för första gången, eftersom det inte fanns några bevis för något liknande tidigare. Det saknades en länk. Nu har vi det."

Frågor kvarstår, Dzenis sa, den mest spännande av dem relaterar till ordspråket om en kedja som går sönder i sin svagaste länk. Det ordspråket gäller vanligtvis fel på strukturer, han sa. Med tanke på teamets resultat om absorberad separationsenergi, principen antydde att det värsta flimmern borde ha inträffat bland de nanoskopiska rankorna, inte de mikroskopiska buntarna.

"Det förbryllade oss, ", sa han. "Det försenade faktiskt publiceringen i ungefär ett halvår. Vi skulle fram och tillbaka; vi hade förmodligen 15 utkast av detta papper tills vi bestämde oss för det här. Enligt energin, flimmern borde ha varit på nanoskala. Men något hindrar det i fibern, och det stora flimmern är på den mellanliggande skalan. Svaret på denna fråga är ännu inte formulerat eller slutfört, men vi har några ledtrådar nu."

Sålänge, Dzenis sa, Teamets många genombrott borde hjälpa materialforskare och ingenjörer att åtminstone börja reda ut några av de stora trådarna som har begränsat fältet så länge.

"Fibertillverkningsprocesser är komplexa och fortfarande inte väl förstådda, men vissa saker kan justeras:vissa koncentrationer, lite kemi, vissa dragförhållanden och temperaturer och så vidare, " sa han. "När vi byter dem, vi kan mäta en slutlig fiberegenskap, men med en så komplex felmekanism ... den slutliga egenskapen är bara en datapunkt. Det räcker inte att förstå hur eller varför en förändring i bearbetningen kommer att påverka felmekanismen. Bättre förståelse för detaljer på olika skalor kommer att vara mycket, mycket kraftfull och nyttig information för forskare. Denna kvantitativa information är nyckeln till att vidareutveckla dessa mekanismer och skapa nya superfibrer.

"Vi är glada. Det är inte ofta du hittar något kvalitativt nytt, än mindre kvantitativt oväntat. Men det här är bara början."