イスラエルと国際的な研究者による新たな研究が、目に見える亀裂が突然生じる前に、材料が破損し始めていることを検知するのに役立つ可能性がある。
研究者たちは、亀裂は小さな損傷領域から始まり、それがゆっくりと拡大してから急速に成長する亀裂に変化することを発見した。この発見は、技術者が開発中の故障を早期に特定する潜在的な方法を提供する可能性がある。このメカニズムは地震の発生メカニズムを解明する手がかりにもなるかもしれないが、これらのゆっくりと動く前兆を検出することは依然として大きな課題である。
この研究は、ヘブライ大学ラカ物理学研究所のユヴァル・パズ氏とジェイ・ファインバーグ教授が、北京理工大学のワン・メン氏、CNRS/ENS de Lyonのモフタール・アッダ＝ベディア氏と共に主導した。
人間の目には、ガラスやプラスチックは瞬時に割れるように見えるかもしれない。しかし、破壊プロセスの多くは、最終的な破損の前に起こっている。十分な応力がかかると、材料の内部に小さな損傷領域が形成され、すぐに亀裂になるのではなく、ゆっくりと外側に拡大する。
「私たちの研究は、材料とその安定性および強度を研究している人々にとって重要な3つの別々の問いを統合したものです」とファインバーグ氏はPress Service of Israelに語った。
科学者たちは、亀裂が急速に動き始めたときの挙動については長い間理解していたが、亀裂がどのように始まるかを説明することはより困難であった。この研究は、科学者が「クリープ」と呼ぶこの初期段階の機械的な説明を提供する。
「考えてみれば、これは材料の欠陥が常に形成される自然な方法です」とファインバーグ氏はTPS-ILに説明した。
研究者たちは、当初材料自体よりもはるかに小さい小さな欠陥が、材料全体を切り裂くまでどのように成長するかを理解しようとした。彼らの実験は、損傷領域が毎秒マイクロメートルからミリメートルの速度で非常にゆっくりと拡大し、破壊プロセスの少なくとも75％を占めることを示した。
決定的な遷移は、損傷領域が材料の全厚さに達したときに起こる。
「パッチは、最終的に材料の厚さを貫通するときに、その『トポロジー』を本質的に変化させます」とファインバーグ氏は述べた。
より簡単な言葉で言えば、損傷領域は端の周りに広がる小さなパッチとして始まる。材料全体を完全に切り裂くと、それは従来の亀裂になる。その時点で、亀裂は成長を続けるために必要なエネルギーがはるかに少なくなり、急速に加速することができる。
## 欠陥から破壊へ
研究者たちはまた、亀裂は従来の破壊理論で予測されるよりもはるかに小さいサイズ、約0.1ミリメートル（グリフィス長として知られる従来の臨界サイズ約1ミリメートルと比較して）から始まる可能性があることも発見した。
この発見は、材料にかかる応力、および既存の欠陥のサイズと形状が、亀裂がいつ始まるかを決定する上で役割を果たすことを示唆している。
「理論の根底にある基礎は完全に一般的であり、欠陥や亀裂の形状に単純に関連しています」とファインバーグ氏はTPS-ILに語った。「私たちの理論の強みはその単純さにあります。私たちは単に亀裂の形状の影響を正しく考慮しました。」
この発見は、断層に沿った応力が地殻プレートを所定の位置に保持する力を超え、プレートが突然滑ることで発生する地震の理解にも洞察を提供する可能性がある。
「地震のダイナミクスと破壊のプロセスは（数学的に）同じであるため、私たちの発見は地震の前兆がどのように振る舞うべきかを予測します」とファインバーグ氏はTPS-ILに語った。
研究者たちの発見は、地震の断層破壊も同様に、突然加速する前にゆっくりと拡大する領域から始まる可能性があることを示唆している。ファインバーグ氏は、彼のチームが以前、摩擦の研究で同様の遷移を観察したと述べた。
この発見は、科学者が現在地震を予測したり、材料がいつ破損するかを正確に判断したりできることを意味するものではない。主な課題は、壊滅的な故障が発生する前に、これらのゆっくりと動く領域を検出することである。
「非常に遅いため、拡大中に何の『ノイズ』も発生しません」とファインバーグ氏はTPS-ILに語り、音や地震信号による検出を困難にしている。
研究者が最終的にこれらの前兆を検出する信頼できる方法を開発できれば、その発見は実用的な応用を持つ可能性がある。
「もし成功すれば、材料の寿命を延ばしたり、地震の場合には、地震が始まっていることを早期に警告したりできるかもしれません」とファインバーグ氏はTPS-ILに語った。
この研究は、査読付き学術誌『Physical Review Letters』に掲載された。
