Исследование процессов появления трещин стало предметом работы, проведенной учеными из Кембриджского университета и опубликованной недавно в журнале Nature

Группа ученых из подразделения Механики, Материалов и Дизайна Инженерного факультета Кембриджского Университета под руководством Габра Цани (Gabor Csanyi) провела анализ причин и процессов появления трещин с надеждой применить понимание этих процессов и полученные результаты для контроля распространения и предотвращения образования трещин, что является одной из важных современных задач ученых и инженеров.

Особенная структура конца распространяющейся в кремниевом материале трещины

С использованием компьютерных моделей ученые изучили движение атомов, непосредственно участвующих в процессах образования трещин в различных материалах, из которых изготавливаются элементы электронных устройств, солнечных элементов, обшивки и защитных покрытий. Оказалось, что для описания этих процессов недостаточно знания геометрии и макроскопических параметров материалов, также необходимо прибегать к использованию аппарата квантовой механики – фундаментальной теории, описывающей свойства физического мира.

Ученым удалось создать математические модели, основанные на макро- и атомных характеристиках, которые позволили объяснить такие хорошо знакомые ученым закономерности образования трещин в кремниевых материалах, как нестабильность, а также скачкообразную и извилистую геометрию повреждений, с огромной скоростью разделяющих материал на две части.

«Новая модель получила название мезо-размерной, она впервые объединила явления атомного и макроскопического масштабов, – рассказывает Цани. – Мы получили объяснение преобразований структуры материала на конце трещины, приводящих к возникновению «гребней» на разломленной поверхности, а также смогли описать форму этих образований. Основная идея здесь заключается в динамическом управлении атомными перемещениями: если трещина распространяется быстрее некой критической скорости, то происходит последовательное разрушение связей и система не успевает перестроиться – в этом случае поверхность остается ровной, без «гребней».

Результаты, полученные из экспериментальных наблюдений и с помощью компьютерного моделирования показали согласованный результат, говорящий о том, что большинство трещин в хрупких материалах можно предсказать. Наши предварительные компьютерные эксперименты указывают, что подобные явления и концы трещин можно выявить в карбиде кремния и даже в алмазе».

Мария Костюкова