تم نشر هذا البحث، الذي أجراه مؤخرًا البروفيسور جاي فاينبرج ونيري بيرمان من معهد ريخ للفيزياء، في المجلة المرموقة Physical Review Letters. وكشفت الدراسة، لأول مرة، عن السلوك في المنطقة المجاورة مباشرة لطرف الصدع. في الواقع، هذه هي المرة الأولى في العالم التي يتم فيها ملاحظة هذه المنطقة الصغيرة، حيث يحدث تكسير المواد، في تجربة معملية
الشقوق تضعف المادة المكسورة، يعلم ذلك الكثيرون، لكن وجودها هو ما يحدد قوة المادة بشكل عام. تركز الشقوق كمية هائلة من الطاقة في منطقة طرفها، حيث يمكن للضغوط في هذه المنطقة المجهرية أن تصل رياضيًا إلى ما لا نهاية. في الطبيعة، وعلى عكس التوقعات النظرية، فإن آلية تركيز الجهد المفعلة لحظة إحداث شرخ في المادة تختلف من مادة لأخرى، وبالطبع هناك حد لأي جهد طاقي يتجلى في نهاية العملية في كسر في المادة. على سبيل المثال، الزجاج مادة تضع حدًا ضعيفًا نسبيًا للجهود اللانهائية التي يتركزها الشق على حافته - وبالتالي ينكسر بسهولة عندما يتشكل. من ناحية أخرى، في الألومنيوم أو الفولاذ، تحدث آلية مختلفة عند حافة الشق، مما يمنع جهود الشق من كسر المادة.
في دراسة نُشرت مؤخرًا، أجرى الباحثون بشكل استباقي "زلازل" صغيرة في مادة البرسبيكس (نوع من زجاج الأكريليك الشفاف) وسلطوا الضوء على السلوك الغامض الذي يحدث عند حواف الشقوق أثناء الكسر. تم نشر هذا البحث، الذي أجراه مؤخرًا البروفيسور جاي فاينبرج ونيري بيرمان من معهد ريخ للفيزياء، في المجلة المرموقة Physical Review Letters. وكشفت الدراسة، لأول مرة، عن السلوك في المنطقة المجاورة مباشرة لطرف الصدع. في الواقع، هذه هي المرة الأولى في العالم التي يتم فيها ملاحظة هذه المنطقة الصغيرة، حيث يحدث تكسير المواد، في تجربة معملية.
إحدى النتائج المهمة التي توصلت إليها الدراسة هي أن طرف الصدع يمر بمرحلة بسرعة حرجة من التقدم، حيث يتغير طابعه تمامًا. يشبه انتقال الطور انتقال الطور الذي يميز انتقال الماء إلى الجليد. "الصعوبة الرئيسية ويوضح البروفيسور فاينبرج أن النظر إلى حافة الشق هو الحجم المجهري للمنطقة، القادر على التحرك بسرعة الصوت (حوالي كم / ثانية). "على الرغم من صعوبة القياس، تمكنا لأول مرة من محاكاة الشقوق التي تجري بسرعة الصوت، ومن خلالها اكتشفنا الشكل الذي يتم به تنظيم المادة نفسها وذلك لتجنب الضغوط الكبيرة عند حافة الشق. أي أن المادة تتأثر بعملية تكوين الشق. وتبين أن الشكل الذي تم اكتشافه مختلف تماما عن التوقعات الموصوفة في الأدبيات العلمية في العقود الأخيرة".
هذا ليس العمل الأول للبروفيسور فاينبرج فيما يتعلق بجهود الكراك اللامتناهية. في منشور سابق في مجلة مرموقة الطبيعة, وأوضح البروفيسور فاينبرج כי "عندما قمنا بدراسة ظاهرة الاحتكاك في المختبر، اكتشفنا أن بداية عملية الانزلاق هي في الواقع توصف بتقدم الزلازل التي تقطع الاتصالات بين أي جسمين يحتكان ببعضهما البعض. هذه "الزلازل" تبدأ عند نقطة ضعف وتتقدم بسرعة تقترب من سرعة الصوت. ومن أجل فهم سلوكها، قمنا باختراع طريقة تتيح لنا متابعة تحركات هذه الزلازل عن طريق التصوير السريع (حوالي مليون صورة في الثانية) لمنطقة التلامس عند كل نقطة تلامس بين لوحين ينزلقان على بعضهما البعض وأظهرت هذه القياسات أن الزلازل تشكل الآلية التي يتم من خلالها الاحتكاك. وكانت هذه هي المرة الأولى التي يقيس فيها أي شخص شيئًا كهذا. أبعد من ذلك، فقد أثبتنا أن الزلازل لها خصائص موازية تمامًا لخصائص الشقوق المتحركة. وفي الدراسة الحالية، استخدمنا هذه المعرفة لفك سلوك المواد تحت تأثير الجهود الهائلة التي تنشأ على حافة الشق عندما تنكسر المواد."
قد يكون للبحث العديد من النتائج، حيث أن نتائجه تقوض المفهوم الأساسي فيما يتعلق بخصائص المواد وثباتها. وتفترض النظرة التقليدية أن وقت كسر المادة يكون سلبيا تماما، أي أنها تتأثر بالضغوط الهائلة التي تمارس عليها - ولكنها لا تؤثر على هذه الجهود، وبالتأكيد لا ينبغي أن تؤثر على شكل تنظيم الجهود المبذولة. عليه. "في ضوء النتائج المفاجئة للدراسة، يجب علينا أن نأخذ هذا التبادل بعين الاعتبار"، يوضح البروفيسور فاينبرغ. علاوة على ذلك، فإن النماذج الجديدة التي سيتم تطويرها يجب أن تتضمن عمليات "الانتقال المرحلي" التي تحدث عندما تستسلم المادة للضغوط التي تمارس عليها - وربما يكون هذا هو المفتاح لفهم الفرق الكبير في قوة المواد - وخاصة فيما يتعلق بالمواد التي تتشابه إلى حد كبير في جميع الخواص الميكانيكية الأخرى التي تتميز بها.
ستحاول الأبحاث المستقبلية التي أجراها البروفيسور فاينبرج فحص كيفية تأثير المنطقة المجهرية للشق من أجل تغيير سلوك وقوة المواد في الطبقات المختلفة. إن توصيف هذه المنطقة الحرجة هو الخطوة الأولى نحو تغيير خصائصها بشكل استباقي، وهو احتمال رائع يمكن من خلاله هندسة خصائص المواد الجديدة بذكاء، وإنشاء مواد أقوى لصالح الإنسان.
ويخلص البروفيسور جاي فاينبرج إلى ما يلي: "في كثير من الحالات، يؤدي اكتساب فهم جديد إلى طرق جديدة "لتوجيه" السلوك الطبيعي وتغييره. ونحن نتوقع (ونأمل) أن يؤدي تحقيق هذا الفهم الجديد لسلوك المادة الموجودة على حافة الشق إلى تطوير مواد جديدة يمكن "ضبط" قوتها.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
