Read the last research news from PoreLab in Gemini here.
Det som ikke sprekker dem, gjør dem sterkere
Noen materialer blir sterkere når de utsettes for påkjenninger. Men alt bryter sammen til slutt. Hvorfor er det sånn? Og når gir materialene etter likevel? Illustrasjon: Shutterstock, NTB Scanpix
- Av Steinar Brandslet
Publisert 23.09.19
Det høres litt rart ut, men noen materialer kan bli sterkere når de utsettes for påkjenninger. Hvorfor det, og hvorfor gir de til slutt etter likevel?
«Det som ikke dreper oss, gjør oss sterkere», påsto filosofen Friedrich Nietzsche. Hvem hadde trodd at noe lignende kunne gjelde materialer? Men vi må begynne med noe nesten like rart.
– Grunnen til at betong er så sterkt, er fordi det er så svakt, sier professor Alex Hansen, og allerede her begynner hodet å verke litt.
De som bygde Kristiansten festning i Trondheim på 1600-tallet, la inn rester av døde dyr i materialet. Da disse råtnet og avga gasser, gjorde de materialet porøst, og dermed altså sterkere. Foto: Shutterstock, NTB Scanpix VIS MER
Nå er det ikke akkurat tilfeldig at Hansen er leder for PoreLab, et Senter for fremragende forskning ved NTNU og UiO. De jobber mest med porøse materialer, som betong, og i denne verdenen kan sånt skje. Forskere ved PoreLab tar blant annet for seg hva som skjer i materialer som utsettes for påkjenninger, og noen av funnene er litt uventede for oss uinnvidde.
For hvorfor fungerer for eksempel betong akkurat sånn?
Sprer kraften i materialer
Betong ser kompakt ut, men er egentlig fullt av bittesmå hull. Disse hullene gjør at materialet blir sterkere. Professor Hansen tar det helt grunnleggende først:
– Når du får en sprekk i frontruta på bilen, kan du stanse den sprekken fra å spre seg ved å bore et hull i den, sier han.
En ubehandlet sprekk har en høy konsentrasjon av kraft i spissen av sprekken. Om du borer et hull i denne spissen, vil kraften isteden fordele seg rundt hullet, og presset på glasset blir mindre.
Noe lignende finner du altså i den porøse betongen. Om det kommer en sprekk i betongen, vil kraften fordeles rundt i materialet på grunn av alle hullene.
Disse mekanismene har vært kjent i hvert fall siden middelalderen. De som bygde Kristiansten festning i Trondheim på 1600-tallet, la inn rester av døde dyr i materialet. Da disse råtnet og avga gasser, gjorde de materialet porøst, og dermed altså sterkere.
- Les også: De som oppdaget alt i verden
Det sterke beskytter det svake
Men dette forklarer ikke hvorfor materialer endatil kan bli sterkere av påkjenninger. Det går imot intuitiv tenkning, for burde ikke materialet bli svakere istedenfor? Hvordan kan det være sånn?
Det vet doktorgradskandidat Jonas Tøgersen Kjellstadli fra Institutt for fysikk. Han har sett på dette i samarbeid med Hansen, forsker Srutarshi Pradhan og stipendiat Eivind Bering også de fra samme institutt.
– De sterke delene av materialet slår ring om de svake og beskytter dem, forklarer Kjellstadli.
For et materiale, som for eksempel betong, er ikke like sterkt overalt, selv om det kan se sånn ut. Et tilsynelatende ensartet materiale har svake og sterke soner i seg. Disse sonene er tilfeldig spredt rundt omkring i det.
I datamodellene som Kjellstadli har brukt, vil altså de sterke sonene ligge rundt og verne om de svake sonene når materialet utsettes for påkjenninger. Dette i så stor grad at materialet stabiliseres og endatil blir mer motstandsdyktig mot slike påkjenninger.
Dette gjelder bare der de sterke og svake sonene er ulikt fordelt gjennom materialet. Det gjelder også bare inntil en viss grense.
Materialet presses nemlig stadig til en eller annen yttergrense der kraften fra en påkjenning ikke lenger kan absorberes. Før eller siden vil materialet dermed brutalt og plutselig gi etter.
Bildet viser er hvordan en sprekk (overgangen fra svart til hvitt) beveger seg gjennom to plastplater som er «limt» sammen. De er blitt sandblåst og deretter plassert i en ovn slik at de er smeltet sammen der det er kontakt mellom dem. Dette skaper en situasjon som er nær opptil de teoretiske modellene. Gjennom å se på hvordan denne sprekkfronten beveger seg, kan PoreLab teste teoriene sine. Illustrasjon: Knut Jørgen Måløy, Fysisk institutt, Universitetet i Oslo VIS MER
Kan vi forutsi når noe brekker?
Nå er alle disse fysikere, og dermed skulle du tro at det helst er de grunnleggende mekanismer de først og fremst ser på, og ikke eventuell praktisk bruk. Det er delvis sant.
Men disse ser for seg mulige anvendelsesområder også. For hva om du kan bruke denne grunnkunnskapen til å forutsi når noe gir etter? Når blir påkjenningen endelig for stor?
– Vi bruker de samme datamodellene som når vi ser at materialer blir sterkere av påkjenningene, sier professor Hansen. I tillegg kommer praktiske forsøk.
Men de fortsetter til påkjenningene blir for store for materialet.
- Les også: Astronautenes ekstra nese
Kan vi få noe forvarsel før en gruve bryter sammen? Her en gullgruve i Kimberley i Sør-Afrika. Foto: Shutterstock, NTB Scanpix VIS MER
Gruver som kollapser
Hansen ble interessert i dette allerede i 2000, da han hørte om gruver i Sør-Afrika som plutselig kunne gi etter. Den samme kunnskapen kan kanskje en dag brukes som en hjelp under tunnelbygging, noe som er høyaktuelt også her hjemme. Eller til å forutsi jordskjelv. Men alt dette er altså bare kanskje, og vi snakker i alle tilfelle om lang tid. Ambisjonene er uansett store nok.
– Vi forsøker å komme opp med en generell modell for når noe gir etter, sier Hansen.
De vet ikke ennå om det er mulig, men det er nettopp den slags høyrisikoforskning PoreLab er satt til å utføre. Gevinsten er stor om de lykkes.
– I datamodellene våre ser vi at den elastiske energien i materialet når et toppunkt like før det gir etter, sier forsker Srutarshi Pradhan ved PoreLab.
Han har jobbet med nettopp det å forutsi når et materiale brekker helt siden han studerte under professor Bikas K. Chakrabarti ved Saha Institute of Nuclear Physics i Kolkata i India fra 2000.
– Vi tror at dette har et potensial for å utvides til reelle situasjoner, sier Pradhan.
Kanskje er altså dette ikke umulig likevel.
Alex Hansen, Jonas T. Kjellstadli og Srutarshi Pradhan ved PoreLab. Foto: NTNU VIS MER
Kilder:
Frontiers in Physics. Can Local Stress Enhancement Induce Stability in Fracture Processes? Part I: Apparent Stability. Jonas T. Kjellstadli*, Eivind Bering, Martin Hendrick, Srutarshi Pradhan and Alex Hansen.
Can Local Stress Enhancement Induce Stability in Fracture Processes? Part II: The Shielding Effect. Jonas T. Kjellstadli, Eivind Bering, Srutarshi Pradhan, Alex Hansen.
Variation of elastic energy shows reliable signal of upcoming catastrophic failure. Srutarshi Pradhan, Jonas T. Kjellstadli, Alex Hansen.