Nyt forskningsprojekt simulerer for første gang nogensinde fraktalmønstre i naturen

Verden ligner sig selv, uanset om man kigger på den fra en bakketop eller gennem et mikroskop.

En bjergkædes toppe og dale observeret fra mange kilometers afstand er faktisk ganske lig en ellers jævn metalgenstands overfladeruhed observeret på nanometer-skala. Det er en kendsgerning, som blev betonet allerede 1983 af matematikeren Benoit Mandelbrot.

Siden da er det blevet bevist, at stort set alle brudte overflader deler denne egenskab, der betegnes med de mundrette ord ”fraktal selv-affinitet”. Denne unikke egenskab tilskrives ofte fysikken bag sprækkeudbredelse i faste materialer, som - indtil nu - har vist sig notorisk vanskeligt at modellere.

"Dette er første gang, at vi ved hjælp af computersimuleringer har været i stand til at genskabe selv-affinitet i overflader, der glider mod hinanden. Men vores simuleringer illustrerer nu tydeligt, hvordan sprækkedannelser og overfladeslid genererer næsten identisk ruhed på tværs af flere skalaer, uafhængigt af den oprindelige ruheds-tilstand," siger Ramin Aghababaei, der er adjunkt og leder forskningsgruppen Surface Mechanics ved Institut for Ingeniørvidenskab, Aarhus Universitet.

De nye forskningsresultater er blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nature.

Hovedformålet med det nuværende projekt var at modellere, hvordan overflade-ruhed dannes. At kunne bestemme overflade-ruhed er nemlig afgørende for eksempelvis metallers ydeevne og holdbarhed indenfor stort set alle anvendelsesområder i industrien. Men perspektiverne ved resultaterne er vidtrækkende.

"Vi mener, at sprækkedannelser under overfladen og materialefjernelse på forskellige skalaer er hovedmekanismen for dannelsen af overflade-ruhed. Sprækker forløber aldrig lige – de vrider og snor sig som et lyn, der bugter sig gennem luften. Og zoomer man ind på en vilkårlig del af et lyn, der måske fra afstand ser helt lige ud, vil man se, at det også her bugter sig på samme måde. Forløbet gentager sig på mindre skalaer. Med andre ord dikterer sprækkeudbredelsens forløb på alle skalaer de ujævne overfladers selv-affine natur," siger Ramin Aghababaei og kobler dette til forskning i jordskælv:

"Menneskeheden ved stadig ikke præcist, hvorfor jordskælv sker, men vi mener, at det drejer sig om det samme: Mikroskopiske sprækkeudbredelser under jordens overflade, som udsender seismiske bølger, der får jorden til at ryste. Og hvis vi kan forstå den sprække-udløsende mekanisme ved at foretage en post-faktumanalyse af forkastningernes ruhed, håber vi på, at vi vil kunne forudsige noget," tilføjer han.

Derfor samarbejder Ramin Aghababaei da også med geologer netop med henblik på at anvende denne viden til at forstå jordskælvenes mikroskopiske oprindelse.

”Jeg tror, at denne nye teknik åbner op for mange nye muligheder for at udforske mikromekanikken bag nedbrydning af og brud på overflader og for at lægge et teoretisk fundament for udviklingen af næste generations slidbestandige materialer og belægninger, så vi forhåbentlig kan reducere materialespild på grund af slid," siger han.