Цивилизация
Российские ученые предложили простую и точную модель для описания твердости и трещиностойкости материалов. Эти сложные для определения параметры – важные характеристики материалов. Модель связывает их с легко измеряемой упругостью и может использоваться для прогнозирования свойств еще не полученных веществ и, в отличие от других моделей, подходит для материалов-ауксетиков с необычной реакцией на растяжение. Результаты работы опубликованы в Journal of Applied Physics. Исследования поддержаны грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда по поддержке лабораторий мирового уровня.
Твердость (устойчивость тела к вдавливанию или царапанию) и трещиностойкость (способность сопротивляться распространению трещины) — важнейшие свойства материалов, использующихся в технике и науке. Тем не менее, их теоретическое предсказание на основе кристаллической структуры до недавнего времени считалось невозможным. Китайскими учеными было предложено несколько способов описания твердости и трещиностойкости. Модели основывались на том, что эти свойства связаны с упругостью через кристаллическую структуру вещества, а измерить и описать упругость гораздо проще. Но все они имели ряд ограничений и включали в себя зависящие друг от друга переменные, которые не позволяли корректно описать эти свойства.
«Нам удалось повысить точность моделей твердости и трещиностойкости за счет перехода к новым, более независимым друг от друга, координатам, что делает эти модели более универсальными. Зачем это нужно? Важно уметь предсказывать твердость, когда мы ищем материалы для бурения, металлообработки или машиностроения. Трещиностойкость важна, когда требуется материал для стекол автомобилей, смартфонов, бронежилетов, — рассказывает руководитель проекта Артем Оганов, доктор физико-математических наук и профессор Сколковского института науки и технологий. — Теперь сложные свойства оказываются достаточно простыми для теоретического описания. Зная всего лишь кристаллическую структуру, мы, еще не видя материал, можем сказать, какой твердостью и трещиностойкостью он будет обладать. Решающий вклад в эту работу внес магистрант Сколковского института Ефим Мажник».
В формулах новой модели участвуют физические величины, описывающие упругость: модуль Юнга и коэффициент Пуассона. Модуль Юнга отражает способность материала сопротивляться растяжению и сжатию при упругой деформации, описывает общую прочность химических связей. Коэффициент Пуассона характеризует природу и структуру вещества. Эти параметры практически не зависят друг от друга, что повышает точность модели. Ее достоверность была подтверждена экспериментально, ученые также использовали ее для прогнозирования твердости и трещиностойкости материалов с неизвестными ранее свойствами. Кроме того, данная модель стала единственной способной описать твердость ауксетиков — материалов, которые при растяжении не становятся тоньше, как, например, резина, а, наоборот, утолщаются. Это происходит из-за того, что в нерастянутом состоянии их структурные элементы сложены, а при растяжении они расправляются и увеличиваются в размерах. К таким материалам относится пирит, бумага, некоторые органические полимеры и даже сухожилия.
