การเคลื่อนที่ของรอยร้าวเป็นเรื่องยากที่จะศึกษาในห้องแล็บเนื่องจากต้องใช้ความเร็วสูง แต่ทีมของ Fineberg มีวิธีใหม่ในการทำให้สิ่งต่างๆ ช้าลง“แทนที่จะทำลายแก้ว เหล็ก หรือเซรามิกที่เปราะบาง” เขากล่าว “สิ่งที่เราทำลายคือ Jell-O”ในกรณีนี้ เจลาตินเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสของเจลพอลิอะคริลาไมด์ ซึ่งเป็นพอลิเมอร์ที่เป็นน้ำซึ่งใช้ในการศึกษาดีเอ็นเอ “พวกนี้เป็นนักเลงตัวเล็ก ๆ ที่ลื่นไหล” เขากล่าว “พวกมันลื่นล้มและดูเหมือนแตกเป็นเสี่ยงๆ เหมือนจานแก้ว”
ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ในปี 2548 Fineberg
และนักเรียนสองคนแสดงให้เห็นว่าวิธีการที่รอยแตกเคลื่อนผ่านเจลนั้นเหมือนกันกับที่รอยแตกเคลื่อนผ่านกระจก โดยมีความแตกต่างที่สำคัญประการหนึ่ง: รอยแตกที่จะวิ่งผ่านกระจกด้วยความเร็ว 3,000 เมตรต่อวินาทีที่คลานผ่าน เจลที่ความเร็วเพียง 5 ม./วินาที
“คุณมีเวลามากขึ้นที่จะดูว่าเกิดอะไรขึ้น” Fineberg กล่าว
ด้วยกล้องที่รวดเร็ว Fineberg และเพื่อนร่วมงานได้พบข้อบกพร่องที่สำคัญในกลไกการแตกหักแบบยืดหยุ่นเชิงเส้น ทฤษฎีสันนิษฐานว่าความเครียดที่เกิดขึ้นบนวัสดุเป็นสัดส่วนกับความเครียดที่รู้สึก แต่ในกระดาษที่อยู่ระหว่างการเตรียมการ Fineberg และนักทฤษฎี Eran Bouchbinder จาก Hebrew University เช่นกัน แสดงให้เห็นว่านี่เป็นความจริงที่อยู่ห่างจากปลายรอยแตกเท่านั้น เนื่องจากการวัดรอยร้าวที่เคลื่อนผ่านเจลาตินเข้าใกล้จุดที่วัสดุแตกตัวออกจนหมด จึงจำเป็นต้องเพิ่มคำศัพท์ต่างๆ ลงในสมการการเคลื่อนที่เพื่ออธิบายว่าพลังงานเป็นเชื้อเพลิงให้กับรอยร้าวอย่างไร และด้วยเหตุนี้จึงเกิดการแพร่ขยายของรอยร้าวได้อย่างไร
Fineberg กล่าวว่าวิธีเจลาตินยังช่วยอธิบายว่ารอยแตกเปลี่ยนทิศทาง
ได้อย่างไรและทำไม เช่น วิธีที่ขอบเป็นระลอกคลื่นก่อตัวขึ้นในลูกโป่งที่แตกออก เป็นต้น นอกเหนือจากกิจกรรมของทิปแล้ว รอยแตกที่เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงดูเหมือนจะเห็นด้วยกับการคาดการณ์ของกลไกการแตกหักแบบยืดหยุ่นเชิงเส้น แต่ถ้ารอยร้าวเหล่านั้นเบี่ยงเบน สมการที่ควบคุมการเคลื่อนที่ของพวกมันจะไม่เป็นที่รู้จัก และรอยแตกที่คดเคี้ยวและรวดเร็วสามารถทำให้เกิดรอยร้าวเล็กๆ ของลูกสาว หรือแตกออกเป็นหลายรอยจนหมด
“คำถามพื้นฐานคือเหตุใดรอยแตกจึงไม่เสถียร” เขากล่าว “ฉันเชื่อว่าด้วยเจลเหล่านี้ เราสามารถเริ่มคลี่คลายสิ่งนี้ได้ เพียงเพราะว่าเราสามารถทำให้สิ่งต่างๆ ช้าลงได้”
ส่วนประกอบของอะตอม
แม้ว่ากล้องที่จับภาพรอยร้าวของ Jell-O จะมีความเร็วอยู่บ้าง แต่สำหรับทฤษฎีพื้นฐานที่แท้จริงของการแตกหัก นักวิทยาศาสตร์ต้องการกล้องที่ซูมได้ถึงระดับอะตอมด้วย
Buehler ใช้สิ่งที่ดีที่สุดถัดไป: ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่จำลองอะตอมนับพันล้าน ห้องปฏิบัติการของเขาที่ MIT ตรวจสอบการแตกหักของวัสดุตั้งแต่นิกเกิลและซิลิคอนไปจนถึงกระดูกและโปรตีน “เราสามารถจำลองอะตอมและหาสมการสถานะหรือความหนาแน่นหรือจุดหลอมเหลวของวัสดุได้” เขากล่าว “มันน่าตื่นเต้นจริงๆ”
การจำลองจะคำนวณวิถีโคจรของอะตอมแต่ละอะตอมตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันและปฏิกิริยาทางกลเชิงควอนตัมระหว่างอะตอมนั้นกับสิ่งรอบข้าง ในการแนะนำรอยร้าว Buehler เพียงแค่เอาอะตอมสองสามตัวออก เพื่อให้รอยร้าวกระจาย เขาเพิ่มการยืด
“ความสวยงามของแนวทางนี้และเหตุผลที่ทำให้ฉันตื่นเต้นกับสิ่งนี้ มันง่ายมากจริงๆ” เขากล่าว “การจำลองแบบอะตอมมิคไม่ต้องการข้อมูลมากนัก ทั้งหมดมันคือเคมี”
งานของ Buehler เสนอคำอธิบายว่าเหตุใดรอยแตกจึงเคลื่อนตัวเป็นวรรคตอนภายใต้เงื่อนไขบางประการ แทนที่จะค่อยเป็นค่อยไป ในการสร้างแบบจำลองรอยร้าวที่มีความยาวไม่กี่นาโนเมตรในซิลิคอน Buehler สังเกตเห็นว่าอะตอมของซิลิคอนบางส่วนซึ่งมักจะเชื่อมโยงกันเป็นรูปหกเหลี่ยมได้จัดเรียงตัวเองใหม่ ที่ปลายสุดของรอยแตก วงแหวนหกอะตอมสองวงได้เปลี่ยนเป็นวงแหวนห้าอะตอมและวงแหวนเจ็ดอะตอมวางเคียงข้างกัน รอยร้าวไม่เคลื่อนไปข้างหน้าจนกว่าจะมีพันธะอื่น ซึ่งเชื่อมระหว่างวงแหวน 7 อะตอมกับวงแหวน 6 อะตอมที่อยู่ข้างหน้าแตก ซึ่งจุดนั้นรอยแตกจะแยกผ่านวงแหวน 6 อะตอมที่ตามมาเหมือนซิป
การเปลี่ยนแปลงจากวงแหวนหกอะตอมเป็นวงแหวนห้าและเจ็ดอะตอมเป็นการตอบสนองต่อแรงกดที่รุนแรงของวัสดุ Buehler อธิบาย ในลักษณะเดียวกับที่ของแข็งละลายเมื่อถูกความร้อน ซิลิกอนจะเปลี่ยนอะตอมของมันไปรอบๆ ภายใต้ความเค้น การเปลี่ยนแปลงนี้สามารถช่วยป้องกันรอยแตกไม่ให้แพร่กระจายได้จนถึงจุดหนึ่ง โดยการกระจายพลังงานคงที่ที่นำไปใช้กับวัสดุ การจำลองในสารจำนวนมากขึ้นอาจเผยให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวในโครงสร้างอะตอมของวัสดุสามารถนำไปสู่ทฤษฎีพื้นฐานใหม่ของรอยแยกได้อย่างไร
แต่การจำลองอะตอมนั้นช้าและเข้มข้น — แบบจำลองล่าสุดของเครือข่ายโปรตีนชิ้นเล็กๆ ในเซลล์ใช้เวลาหลายสัปดาห์ในการเรนเดอร์ Buehler กล่าว และแม้แต่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ดีที่สุดก็ยังห่างไกลจากการจัดการกับจำนวนอะตอมที่ประกอบกันเป็นวัตถุขนาดเท่าของจริงหลายปี
Buehler หลีกเลี่ยงปัญหานี้ด้วยการแบ่งวัสดุออกเป็นชิ้นๆ เขาจะจำลองกลุ่มอะตอมขนาดใหญ่ และวาด
แนะนำ : ข่าวดารา | กัญชา | เกมส์มือถือ | เกมส์ฟีฟาย | สัตว์เลี้ยง
