Российские ученые создали новую модель для описания твердости и трещиностойкости материалов. Она связывает эти параметры с легко измеряемой упругостью и может использоваться для прогнозирования свойств будущих веществ, а также, в отличие от аналогов, подходит для материалов-ауксетиков с необычной реакцией на растяжение.

Результаты работы опубликованы в Journal of Applied Physics. Исследования поддержаны грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда по поддержке лабораторий мирового уровня.

Твердость и трещиностойкость — важнейшие свойства материалов, использующихся в промышленности. Тем не менее, предсказание этих характеристик на основе кристаллической структуры до недавнего времени считалось невозможным. Китайские ученые предложили несколько способов описания твердости и трещиностойкости. Они были основаны на том, что эти свойства связаны с упругостью, описать которую гораздо проще. Но каждая из них имела ряд ограничений и включала зависящие друг от друга переменные, которые не позволяли корректно описать эти свойства.

«Нам удалось повысить точность моделей твердости и трещиностойкости за счет перехода к новым, независимым друг от друга, координатам. Проще говоря, мы сделали эти модели более универсальными. Зачем это нужно? Важно уметь предсказывать твердость, когда мы ищем материалы для бурения, металлообработки или машиностроения. Трещиностойкость важна, когда требуется материал для стекол автомобилей, смартфонов, бронежилетов, — рассказывает руководитель проекта Артем Оганов, доктор физико-математических наук и профессор Сколковского института науки и технологий.  — Теперь сложные свойства оказываются достаточно простыми, и их можно описывать теоретически. Например, если мы будем знать одну лишь кристаллическую структуру, то, даже еще не видя материал, можно сказать, какими свойствами он будет обладать».

В формулах новой модели участвуют физические величины, описывающие упругость. Они практически не зависят друг от друга, что увеличивает точность модели. Достоверность модели ученые подтвердили с помощью экспериментов. В ходе других испытаний авторы смогли предсказать твердость и трещиностойкость материалов с неизвестными ранее свойствами.

Кроме того, новая модель оказалась единственной способной описать твердость ауксетиков — материалов, которые при растяжении не становятся тоньше, а, наоборот, утолщаются. Это происходит из-за того, что в нерастянутом состоянии их структурные элементы сложены, а при растяжении они расправляются и увеличиваются в размерах. К таким материалам относятся пирит, бумага, некоторые органические полимеры и даже сухожилия.

Работа выполнена сотрудниками Сколковского института науки и технологий, Московского физико-технического института и Международного центра открытия материалов в Китае.