Dans un article publié en Physique de la nature , Northeastern University Department of Physics Arts and Sciences Professeur distingué Alain Karma, en collaboration avec son associé de recherche postdoctoral Chih-Hung Chen et le professeur Eran Bouchbinder du département de physique chimique du Weizmann Institute of Science, découvert le mécanisme qui fait que les fissures se comportent étrangement lorsqu'elles se propagent très rapidement dans des matériaux cassants. Les résultats de cette étude aideront les chercheurs à mieux comprendre comment les matériaux fragiles, comme le verre, céramique, polymères, et la fracture osseuse - souvent catastrophique - et comment mieux concevoir les matériaux pour éviter les défaillances.

Le but de Karma était de comprendre comment les choses se brisent, étant donné qu'un des principaux moyens de défaillance des matériaux est la propagation des fissures, qui a longtemps été un problème en science des matériaux, construction, et le développement de produits. Plus précisement, l'équipe de recherche collaborative voulait comprendre comment les propriétés mécaniques de la région de forte concentration de contraintes autour du bord d'une fissure affectent la dynamique de la fissure.

"Alors que les fissures droites peuvent, en principe, parcourir un matériau aussi vite que la vitesse du son, ils n'atteignent jamais cette vitesse pour des raisons restées insaisissables, " a déclaré Karma. "Nous avons montré que cela est dû au fait que les fissures deviennent intrinsèquement instables lorsque leur vitesse est suffisamment élevée. L'instabilité fait osciller la pointe de la fissure d'un côté à l'autre et tracer un chemin ondulé à travers le matériau. Cette instabilité a été complètement ignorée par les théories conventionnelles de la fracture, qui supposent tous que la relation entre l'étirement et la force à l'intérieur d'un matériau est linéaire, ce qui signifie que doubler la force double la quantité d'étirement. Notre travail montre que cette hypothèse s'effondre près du fond de fissure et explique comment la relation non linéaire entre l'étirement et la force produit des oscillations avec une période bien définie qui peuvent être liées aux propriétés des matériaux."

A travers cette recherche, Karma et ses collègues ont développé une nouvelle théorie pour aider les chercheurs à prédire, par des simulations informatiques à grande échelle, la dynamique d'une fissure dans des conditions variables, qui a le potentiel d'aider à comprendre pourquoi et comment certains matériaux échouent.

Avec le succès de cette recherche, Karma espère continuer sur un travail plus connexe. "Cette étude a utilisé des feuilles très minces de matériaux quasi-2D. Nous prévoyons d'étendre cette étude aux matériaux en vrac 3D. En vrac, l'instabilité qui empêche les fissures de se rompre à la vitesse du son se produit à une vitesse de fissure plus faible qu'en 2D mais le mécanisme n'est pas compris, " il a dit.

Pour élucider ce mécanisme, l'équipe envisage d'étudier le phénomène 3D de micro-branchement, lorsque la fissure principale se scinde en de nombreuses microfissures, comprendre ses origines dans des échantillons en vrac de matériaux cassants. "Nous pensons que la relation non-linéaire entre force et déformation est à l'origine des instabilités de micro-ramification, et nous pensons que nous pouvons résoudre ce problème, " dit Karma.