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La mecánica continua no lineal ha proporcionado una lente crítica a través de la cual comprender la concentración de energía que conduce a la falla en sólidos blandos1. Sin embargo, la predicción precisa de esta falla también requiere descripciones de las características microestructurales que contribuyen a la creación de nuevas superficies en la punta de grieta 2,3. Un método para abordar tales descripciones es a través de la visualización in situ de la punta de la grieta durante la falla 4,5. Sin embargo, el embotamiento de grietas en las pruebas típicas de fractura de campo lejano dificulta la adquisición de datos in situ al extender el material altamente deformado, potencialmente fuera del campo de visión del microscopio6. El corte en forma de Y ofrece una alternativa única para la visualización microestructural porque concentra la región de gran deformación en la punta de una cuchilla7. Además, el trabajo previo de nuestro grupo demuestra que este enfoque experimental único puede proporcionar información sobre las diferencias en la respuesta a fallas entre el desgarro de campo lejano y las condiciones de carga mediadas por contacto7.
El método de corte en forma de Y utilizado en el aparato presentado aquí se describió por primera vez hace décadas como un método de corte para caucho natural8. El método consiste en un corte de empuje de cuchilla fija a través de una pieza de prueba precargada en forma de Y. En la intersección de la "Y" está la punta de la grieta, que se crea antes de la prueba dividiendo una porción de una pieza rectangular en dos "patas" iguales (Figura 1B y Figura 2D). Las principales ventajas de este método de corte incluyen la reducción de las contribuciones de fricción a la energía de corte medida, la geometría variable de la cuchilla (es decir, la restricción de la geometría de la punta de grieta), el control de la tasa de falla (a través de la velocidad de desplazamiento de la muestra) y el ajuste separado del corte, C y desgarro, T, contribuciones de energía al corte de energía G total (es decir, alterar la energía de falla por encima de un umbral de corte)8. Estas últimas contribuciones se expresan en una expresión simple y cerrada para la energía de corte9
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que utiliza parámetros seleccionados experimentalmente, incluido el grosor de la muestra, t, deformación media de la pierna, , fuerza de precarga, fpre y el ángulo entre las patas y el eje de corte,
θ. La fuerza de corte, fcorte, se mide con el aparato como se detalla en Zhang et al.9. En particular, el aparato presentado aquí incluye un mecanismo nuevo, simple y preciso para ajustar el ángulo de la pierna, θ, y garantizar que la muestra esté centrada. Si bien ambas características son críticas para una configuración montada en un microscopio, el mecanismo también puede beneficiar las futuras implementaciones verticales de la prueba de corte en forma de Y al aumentar la facilidad de uso.
El progreso en la determinación de los criterios de falla apropiados para sólidos blandos ha estado en curso desde el éxito temprano de las geometrías de fractura independientes de la muestra introducidas por Rivlin y Thomas10. Se han utilizado tasas críticas de liberación de energía10, leyes de zonas cohesivas 11 y varias formas de enfoques de estrés o energía a distancia12,13,14. Recientemente, Zhang y Hutchens aprovecharon este último enfoque, demostrando que el corte en forma de Y con cuchillas de radio suficientemente pequeño podría producir condiciones de falla umbral para fractura blanda7: una energía de falla umbral y una escala de longitud umbral para falla que varía de decenas a cientos de nanómetros en polidimetilsiloxano homogéneo y altamente elástico (PDMS). Estos resultados se combinaron con el modelado continuo y la teoría de escalado para desarrollar una relación entre el corte y el desgarro en estos materiales, demostrando así la utilidad del corte en forma de Y para proporcionar información sobre todos los modos de falla suave. Sin embargo, el comportamiento de muchas clases de materiales, incluidos los materiales disipativos y compuestos, permanece inexplorado. Se anticipa que muchos de estos exhibirán efectos gobernados por microestructuras a escalas de longitud por encima de la longitud de onda de la luz visible. Por lo tanto, en este estudio se diseñó un aparato que permite la caracterización visual cercana de estos efectos durante el corte en forma de Y por primera vez (por ejemplo, en compuestos, incluidos tejidos blandos, o de procesos disipativos, anticipados en escalas de longitud micrométrica a milímetro15).