NWO-I

NWO - Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek - print-logo

URL voor deze pagina :
https://www.nwo-i.nl/fom-historie/jaarverslagen/hoogtepunten/hoogtepunten2013/sterkte-uit-het-niets-nr-143/

Geprint op :
10 december 2018
22:36:29

Wat blijft er over wanneer we alle bindingen die een materiaal bijeen houden één voor één doorsnijden? Uiteindelijk valt alles uit elkaar, maar er is een kritiek punt, het zogeheten marginale punt, waarop het materiaal nog nét intact is. In dit FOM-programma ontdekte FOM-postdoc dr. Matthew Dennison (verbonden aan de Vrije Universiteit Amsterdam en de Technische Universiteit Eindhoven) dat materialen rond en zelfs ónder het marginale punt een unieke eigenschap hebben: ze zijn veel sterker dan ze zouden mogen zijn. Dennisons werk verscheen in 2013 in het vakblad Physical Review Letters.

Wonderlijke eigenschappen
Uit klassieke netwerkmodellen is bekend dat materialen dicht boven het marginale punt wonderlijke eigenschappen hebben. De stevigheid van dit materiaal neemt bijvoorbeeld toe wanneer het sterk wordt vervormd. Net onder het marginale punt hoort een materiaal juist helemaal geen sterkte te hebben – het materiaal is helemaal week. 

Deze weekheid treedt echter alleen op wanneer de temperatuur niet van belang is. Dat is bijvoorbeeld het geval wanneer de temperatuur nul is, of wanneer de bouwstenen van het materiaal zó groot zijn dat thermische fluctuaties (de spontane veranderingen die dankzij de temperatuurverschillen op molecuulniveau plaatsvinden) geen effect hebben.  

Dennison laat zien dat wanneer de temperatuur niet verwaarloosbaar is, de netwerken net onder het marginale punt tóch sterk kunnen zijn. Die kracht dankt het materiaal aan diezelfde thermische fluctuaties. 

Hot stuff
De complexe structuur van een marginaal netwerk – een ijl spinnenweb van nét aan verbonden stukken materiaal – reageert uitzonderlijk sterk op fluctuaties. Waar fluctuaties in gewone materialen snel uitdoven, kunnen ze zich in een marginaal materiaal over enorme afstanden voortplanten. Dennison ontdekte dat het materiaal, doordat de structuur op het randje van instabiliteit staat, uniek reageert. De mechanische stijfheid van het materiaal neemt niet-lineair toe met de temperatuur, als T0.8.

De voorspellingen van Dennison kunnen direct worden getoetst in experimenten. Dat is geen sinecure: het is uiterst lastig de verbondenheid van een materiaal direct te meten. Dennisons theorie geeft echter een heel direct en herkenbaar signatuur van de marginale toestand. Daarmee is een belangrijke barrière op de weg naar nieuwe high tech materialen geslecht.