Giải mã bí mật vết nứt

Các chuyên gia Mỹ đã tạo ra những mô hình vi tính quy mô lớn nhằm đánh giá sự hình thành và phát triển vết nứt ở nhiều loại vật liệu.

Ông Alain Karma, giáo sư vật lý và là trưởng nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Northwestern (Mỹ), cho biết từ nhiều năm qua, các nhà khoa học đã nỗ lực khám phá “lộ trình” của các vết nứt và tác động của chúng lên những vật liệu nơi chúng hình thành. Khám phá của nhóm nghiên cứu sẽ cho phép họ phát triển những vật liệu mới dùng cho turbine máy bay, vi mạch điện tử và xương nhân tạo, có khả năng chống nứt gãy tốt hơn. 

Karma và các cộng sự bắt đầu bằng cách nghiên cứu những hiệu ứng kết hợp của hai dạng ứng suất lên sự lan truyền vết nứt: độ biến dạng và độ căng. Biến dạng xảy ra tự nhiên khi vật liệu bị vặn xoắn khỏi hình dạng của nó còn sức căng phát sinh khi vật liệu bị kéo dài. Sự kết hợp của biến dạng và sức căng khiến cho vết nứt không ổn định. Cơ chế phát triển và lan tỏa tình trạng không ổn định này vẫn là một câu hỏi lớn cho đến trước khi có khám phá của nhóm nghiên cứu.

Bằng cách sử dụng máy tính, nhóm nghiên cứu đã tạo được các mô hình vi tính quy mô lớn cho thấy sự biến dạng và độ căng khiến cho các vết nứt tuân theo đường xoắn ốc. Dựa trên các kết quả mô phỏng, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương trình lý thuyết dự đoán cách thức mà đường xoắn ốc này xoay chuyển, lan xa và nhân rộng ở nhiều vật liệu khác nhau. “Câu hỏi cơ bản mà chúng tôi đang giải đáp là những đường nứt này phát triển bên trong vật liệu. Giờ đây đã có thông tin đó, chúng tôi có thể phát triển những vật liệu mới chống nứt, cũng như giảm thiểu đáng kể sự hư tổn mà vết nứt gây ra khi chúng hình thành”, giáo sư Karma cho biết.

Nhóm nghiên cứu hy vọng công trình này có thể dẫn đến nhiều phát minh mới trong lĩnh vực chế tạo các bộ phận máy bay và ô tô nhẹ hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn, cũng như các loại xương nhân tạo composite không nứt gãy khi được đưa vào bên trong cơ thể. Ngoài ra, công trình này cũng có ý nghĩa quan trọng đối với việc tìm hiểu quá trình tiến hóa của các vết đứt gãy trên vỏ trái đất.