Projekti / Programi
Kristalografija nagubanih elastičnih površin
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.05.00 |
Tehnika |
Mehanika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P250 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kondenzirane snovi: struktura, termične in mehanske lastnosti, kristalografija, fazno ravnovesje |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
Nelinearna mehanika; Gubanje; Kristalografija; Deformacija; Diferencialna geometrija.
Raziskovalci (17)
Organizacije (2)
Povzetek
Mehanske nestabilnosti privedejo do številnih zanimivih pojavov, ki vključujejo bifurkacijski uklon, preskok sistema, gubanje, zlaganje itn. Te pojave lahko najdemo v mnogih velikostnih razredih v naravi in inženirskih aplikacijah. Nestabilnosti se v strukturah tradicionalno povezuje s prenehanjem delovanja, porušitvijo in drugimi močno neželenimi učinki. Razumevanje teh pojavov se je v zadnjem času drastično spremenilo. Izkoriščajo se v mnogih najsodobnejših aplikacijah, v katerih izkoriščajo ugodne lastnosti njihovega nad-kritičnega deformacijskega polja za napredne funkcionalnosti, zlasti tiste, ki izhajajo iz gubanja. Navdihnjena z inovativno uporabo in edinstveno zmožnostjo oblikovanja širokega spektra kompleksnih samo-urejenih deformacijskih vzorcev v kombinaciji s kompaktnim načinom za njihovo kontrolo, so nas prepričale, da prepoznavamo gubanje kot idealen sistem za testiranje predlaganih idej ter jih teoretično ovrednotimo in eksperimentalno preko natančnih modelskih eksperimentov.
Glavni cilj predlaganega raziskovalnega projekta je pokazati, da je periodične samo-urejene deformacijske vzorce mogoče obravnavati znotraj teoretičnega okvirja trdnih in smektičnih tekočih kristalov. Ideja temelji na odkritju (vodja projekta s sodelavci), da da se v takšnih sistemih napetosti zmanjšujejo z lokalnim uklonom (tvorijo se jamice) in tvorjenjem topoloških napak v vzorcu. Ključno pri tem je določiti preslikavo topografije deformacij v področje obeh uveljavljenih kristalografij. Na ta način bomo lahko razkrili nekatere še nepoznane lastnosti deformabilnih mehanskih sistemov, ki jih ni mogoče opisati samo z vidika mehanike struktur. Kristalografijo elastičnih samo-urejenih periodičnih deformacijskih vzorcev pri tem vidimo kot novo raziskovalno smer, ki nam bo omogočila drugačen pogled na obravnavano tematiko in s tem spremenila naše razumevanje takšnih vrst deformacij. Omogočila nam bo tudi, da bomo mnoge zamisli iz kristalografije prenesli v deformacije v kontinuumski /strukturni mehaniki. Rezultati predlaganega projekta bodo poenostavili postopke reševanja v okviru mehanike in omogočili več izvirnih pristopov k aplikacijam v mehaniki struktur.
V svojih raziskavah bomo naredili več, ko te sistematično in natančno napovedovali periodične elastične vzorce, čeprav je ta naloga v večini praktičnih primerov daleč od trivialne, saj so problemi zelo nelinearni. Z velikim številom podobnih meta-stabilnih stanj in dejstvom, da eksponentno rastejo z velikostjo sistema, so izračuni tako še dodatno drastično oteženi. Analizirali bomo tudi kompleksne ureditve vzorcev eksperimentalnih preizkušancev in napake v njihovi kristalni strukturi, ki se sicer v kristalih v termodinamičnem ravnotežju ne pojavljajo. V fokusu naše raziskave je tudi preučevanje različnih deformacijskih oblik (in prehodov med njimi), ki jih sicer zaznamo v ločenih sistemih. Presenetljivo dejstvo je, da jih je mogoče zaznati v zaporedju, ki je odvisno le od stopnje obremenitve.
Razvili bomo rigorozna analitična in numerična orodja, ki jih bomo preverili s pomočjo natančnih makroskopskih eksperimentov na jamičastih, labirintnih in hibridnih fazah. Preučili bomo različne oblike; ravninske in ukrivljene (sferične, valjate, toroidne, itd.) s poudarkom na labirintni fazi gub. Raziskave bomo izvajali po načelu ciljno usmerjenega raziskovanja, kot tudi raziskovanja, ki bodo sledila novim odkritjem.
Delovni program sestavljajo tri faze projekta, ki vsebujejo sedem delovnih svežnjev, ki se nadalje delijo na ločene glavne naloge. Raziskovanje bo opravljeno v Laboratoriju za nelinearno mehaniko na Fakulteti za strojništvo (UNI-LJ) pod mentorstvom doc. Prof. Dr. Miha Brojan (vodja laboratorija) in v sodelovanju z prof. Dr. Primožem Ziherlom s Fakultete za matematiko in fiziko (UNI-LJ).
Pomen za razvoj znanosti
Kristalografija elastičnih gub, ki jih predstavljajo samo-urejeni periodični deformacijski vzorci je nova raziskovalna usmeritev. Omogočila nam bo razumevanje deformacij še z drugačne perspektive. Idejo, za obravnavo vzorcev gubanja skozi prizmo kristalografije, so odkrili Brojan in sodelavci (glej članek Brojan in sodelavci v poglavju Reference). V tej študiji je bilo prvič prikazano, da se v takšnih sistemih napetosti zmanjšujejo z lokalnim uklonom (tvorijo se jamice) in tvorjenjem topoloških napak v vzorcu. Analiziran je bil le jamičast vzorec, pri čemer so lastnosti, ki jih ima labirintni in hibridni vzorci (mešanica jamičastega in labirintnega) še vedno neznane.
Pokazali bomo, da je periodične samo-urejene deformacijske vzorce mogoče obravnavati znotraj teoretičnega okvirja trdnih in smektičnih tekočih kristalov. Ključno pri tem je določiti preslikavo topografije deformacij v področje obeh uveljavljenih kristalografij. Na ta način bomo lahko razkrili nekatere še nepoznane lastnosti deformabilnih mehanskih sistemov, ki jih ni mogoče opisati samo z vidika mehanike struktur. Poleg tega bo v praktičnem smislu mogoč prenos idej iz obeh kristalografij nazaj na področje deformacij v inženirski mehaniki. Teoretično in eksperimentalno bomo analizirali ravninske kristale in kristale na ukrivljenih površinah (na sferi, valju, toroidu, itd.). Makroskopski preizkusi na toroidu še vedno predstavljajo odprt izziv, ki ga nameravamo rešiti.
Rezultati raziskav predlaganega projekta bodo pokazali tudi več možnosti praktične uporabe, ki bodo omogočile npr. poenostavitev numeričnih postopkov, določanje mest začetka uklona v numerični mreži simetričnih problemov, gradnja izboljšanih geodetskih kupol, razumevanje učinkov priprave začetne geoemtrije itn. Pomembnost predlaganih raziskav presega tehnične okvire. Eno najbolj očitnih področij, na katerih bodo naše ugotovitve igrale pomembno vlogo, je biologija, npr. v raziskavah kortikalne konvolucije, priraščanja celic, rast bakterijskih bio-filmov itn.
Pomen za razvoj Slovenije
The crystallography of elastic self-arranged periodic deformation patterns is a new research direction which will enable us to understand deformations from a different perspective. The idea to consider wrinkling patterns as crystals was first proposed by the PI and collaborators (see the paper by Brojan et al. in the References). It was shown for the first time in this study that the stresses are relaxed both, by out-of-surface buckling through the formation of arrays of dimples and by simultaneously developing topological defects in their patterns. Only the dimple pattern was analyzed, leaving the properties of the labyrinthine and the hybrid patterns (between dimple and labyrinthine) unknown.
We will show that elastic periodic self-arranged deformation patterns, such as wrinkles, can be represented in the framework of solid crystals and smectic liquid crystals. The key is to find a mapping from deformation topography to the field of both well-established crystallographies. This will enable us to port many ideas from crystallography back to deformations in the Continuum/Structural mechanics framework and reveal some of the unknown properties of deformable mechanical systems, which cannot be described from the perspective of mechanics alone. Planar and curved (spherical, cylindrical, toroidal, etc.) surface crystals will be examined theoretically and experimentally. A macroscopic experiment on toroids still represents an open challenge which we plan to solve.
The results of the proposed research will expectedly reveal more practical findings. Namely, simplified numerical solutions, finding precursors for buckling in numerical meshes, designing near optimal geodetic domes, understanding the effects of pre-patterning, etc. Note also that the impact of the proposed research reaches beyond engineering. One of the most obvious fields in which our findings will be relevant is biology, e.g. to study cortical convolutions, cell attachment, growth of bacteria in bio-films, etc.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
