Τα γυαλιά είναι ως επί το πλείστον εύθραυστα, τα μέταλλα μπορούν να είναι όλκα και τα υγρά ρέουν εύκολα. Τα πολυμερή παρουσιάζουν και τους τρεις τύπους συμπεριφοράς ανάλογα με τη χημική τους φύση, τη θερμοκρασία και τον ρυθμό παραμόρφωσης.
Αν τα πολυμερή δεν μπορούν να κρυσταλλωθούν, η κατάστασή τους σε χαμηλές θερμοκρασίες είναι υαλώδης. Ωστόσο, παρατηρείται το εκπληκτικό φαινόμενο τα πολυμερή γυαλιά να είναι ολκή σε θερμοκρασίες αισθητά χαμηλότερες από τη θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης.
Ανάπτυξη ενός απλού μικρομηχανικού μοντέλου
Ερευνητές ανέπτυξαν ένα νέο μοντέλο βασισμένο στο κλασικό στοιχείο Maxwell, με δύο βασικές τροποποιήσεις.
- Πρώτον, το ελαστικό στοιχείο δεν είναι ένα απλό γραμμικό ελατήριο αλλά μια ημιτονοειδική συνάρτηση που αντικατοπτρίζει το ενεργειακό τοπίο.
- Δεύτερον, το ιξώδες του αποσβεστήρα μειώνεται σε μεγάλες παραμορφώσεις. Με αυτό το μοντέλο, οι επιστήμονες μπορούν να υπολογίσουν την τάση διαρροής για διαφορετικούς ρυθμούς παραμόρφωσης, διακρίνοντας την εύθραυστη συμπεριφορά από τις δύο μορφές όλκης συμπεριφοράς.
Η μετάβαση από την εύθραυστη στην όλκη συμπεριφορά
Η μετάβαση αυτή αντιμετωπίζεται με μια νέα προσέγγιση: ένα πολυμερές γυαλί μπορεί να παραμορφωθεί ομοιόμορφα αν ο ρυθμός παραμόρφωσης είναι πιο αργός από ένα κατώφλι που εξαρτάται από τη θερμοκρασία, αλλά σπάει εύθραυστα αν ο ρυθμός είναι ταχύτερος.
Η υπόθεση είναι ότι αυτό το κατώφλι είναι αντιστρόφως ανάλογο με τον χρόνο χαλάρωσης. Γνωρίζοντας τους χρόνους χαλάρωσης ως συνάρτηση της θερμοκρασίας, οι ερευνητές μπόρεσαν να υπολογίσουν τη θερμοκρασία μετάβασης για πολυμερή όπως το πολυμεθυλομεθακρυλικό, το PVC και το πολυστυρένιο, με τα αποτελέσματα να ταιριάζουν απόλυτα με τα πειραματικά δεδομένα.
Μελλοντικές κατευθύνσεις και εφαρμογές
Το μοντέλο προσφέρει σημαντικές βάσεις για την πρόβλεψη της αστοχίας σε πλαστικά μέρη που υπόκεινται σε καταπόνηση. Συνδυάζοντας μοριακές προσομοιώσεις και πειράματα, οι επιστήμονες στοχεύουν στην ακριβέστερη πρόβλεψη των καμπυλών τάσης και παραμόρφωσης, βοηθώντας στον σχεδιασμό καλύτερων και πιο ανθεκτικών υλικών για το μέλλον.