研究チームは、濃厚（約3 mm）と薄い（約0.5 mm）氷層で構成される凍結液体水の明確に定義された多層サンプルを作成できるユニークな実験セットアップを考案しました。 1秒あたり40,000フレームで高速ビデオ撮影を採用することにより、これらの多層氷構造と相互作用する際に、亀裂の動的な進化を捉えました。
結果は、厚い薄い氷層での亀裂伝播の魅力的な挙動を明らかにしました。亀裂は、遭遇した層に応じて異なる特性を示しました。厚い層では、単一の平面に沿って伝播した亀裂は「メインクラック」と呼ばれ、安定したままでした。しかし、薄い層に遭遇すると、亀裂は複雑な分岐挙動を示し、元の平面から逸脱し、複雑な経路をたどりました。この分岐パターンは、主に前進亀裂によって遭遇する最初の薄層で観察されました。
チームは、これらの観察結果を、厚い層と薄い層の間の破壊靭性の違いに帰します。骨折の靭性は、亀裂伝播に対する材料の抵抗であり、厚い氷層は、薄い層と比較して骨折の靭性が著しく高くなりました。この違いにより、亀裂は薄い層のまっすぐな経路から逸脱し、観察された分岐挙動につながりました。
さらに、研究者は、厚さと薄い氷層の厚さの比と分岐の開始との関係を特定しました。比率が増加すると、分岐が発生した臨界厚の比が増加しました。これは、厚い氷層が薄い層に対してより支配的になると、亀裂がまっすぐな経路から逸脱することがより困難になることを示しています。
結論として、この研究は、多層氷構造における亀裂伝播の基本的な側面を明らかにし、層特性と亀裂ダイナミクスの間の相互作用から生じるユニークな特徴をキャプチャします。この調査結果は、亀裂挙動の理論的理解に貢献するだけでなく、極地、氷河、宇宙船、極低温貯蔵システムなどの氷の状態が普及している環境でのエンジニアリングの実践に貴重な情報を提供します。
