Percolation and Elasticity of Networks
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Percolation and Elasticity of Networks From Cellular Structures to Fibre Bundles Perkolation und Elastizität von Netzwerken Von Zellulären Strukturen zu Faserbündeln Der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat. vorgelegt von Susan Nachtrab aus Rudolstadt Als Dissertation genehmigt von der Naturwissen- schaftlichen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg. Tag der mündlichen Prüfung: 9. Dezember 2011 Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. Rainer Fink Erstberichterstatter: Prof. Dr. Klaus Mecke Zweitberichterstatter: Prof. Dr. Ben Fabry Abstract A material’s microstructure is a principal determinant of its effective physical properties. Structure-property relationships that provide a functional form for the dependence of a physical property (e.g. elasticity) on the microstucture’s morphology are essential for the physical understanding and also the practical application in material design. This work focuses on materials with spatial mesoscopic network structure. A new model with adjustable network topology is introduced and its percolation properties and effective elastic properties are examined. In an initially four-coordinated network, ordered or disordered, each vertex is separated with probability p to form two two-coordinated vertices, yielding network geometries that change continuously from network structures to bundles of unbranched, interwoven fibres. The percolation properties of this so-called vertex model are studied for a two- dimensional square lattice and a three-dimensional diamond network, revealing a percola- tion transition at p = 1 in both cases. The analysis of the pair-connectedness function and finite size scaling exhibits critical behaviour with critical exponents β = 0:32 ± 0:02, ν = 1:29 ± 0:04 in two dimensions and β = 0:0021 ± 0:0004, ν = 0:54 ± 0:01 in three dimensions. The values of the exponents differ from those of conventional site and bond percolation, indicating that this vertex model belongs to a different universality class. In addition, in three dimensions the critical exponents do not obey the hyperscaling relations of bond percolation, but a heuristic new hyperscaling relation is found. After inflating the network edges to circular cylinders of finite radius, the resulting structure is interpreted as solid material in network shape, henceforth called network solid. Changes of probability p strongly affect the mechanical properties of such network solids. This is demonstrated by calculating the effective linear-elastic bulk and shear moduli using a finite element method based on voxel representations of the structures. Separating a fraction of the network nodes leads to a strong decay of the effective moduli whose functional dependence can be approximated, for p < 0:5, by an exponential decay for both, fixed and periodic boundary conditions. This is verified for ordered (diamond and nbo) as well as for irregular (foam) initial structures. Compression experiments on laser-sintered models based on diamond network solids confirm these results. In case of periodic boundary conditions, a cross-over from an exponential to a power-law decay in (1 − p) close to the critical point at p = 1 is observed. From this, the elastic critical exponent fc can be estimated as fc = 3:0 ± 0:1, which also differs from the site and bond percolation exponent. The morphological analysis of this work has several applications. For linear-elastic solids, it suggests that the network connectivity can be used as design parameter, for example for open-cell metal foams or bone scaffolds, as the elastic properties can be adjusted to a given value while keeping the pore space geometry and thus transport properties almost constant. The results of the percolation analysis are especially relevant for network models of biological or synthetic polymers with varying degree of cross-linking. iii Zusammenfassung Die Mikrostruktur eines Materials hat großen Einfluß auf seine effektiven physikalischen Eigenschaften. Funktionale Abhängigkeiten physikalischer Größen (z.B. der Elastizität) von der Morphologie der Mikrostruktur sind essentiell für das physikalische Verständnis und die praktische Anwendung im Materialdesign. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf Materialien, deren Mikrostruktur durch ein Netzwerk dargestellt werden kann. Ein neues Modell mit einstellbarer Netzwerktopologie wird vorgestellt, dessen Perkolationseigen- schaften und effektive elastische Eigenschaften untersucht werden. Ausgehend von einem ursprünglich vier-verbundenen, geordneten oder ungeordneten Netzwerk wird jeder Vertex mit Wahrscheinlichkeit p in zwei zwei-verbundene Vertizes getrennt. Netzwerkgeometrien werden dadurch kontinuierlich zu Bündeln verschlungener Fasern. Somit wird über den Parameter p die mittlere Verbundenheit der Vertizes von vier im ursprünglichen Netzwerk auf zwei bei p = 1 herabgesetzt. Die Perkolationseigenschaften dieses sogenannten Vertex-Modells werden auf dem zweidimensionalen Quadratgitter und dem dreidimensionalen Diamantnetz untersucht. Beide Modelle zeigen einen Perkolationsübergang bei p = 1. Die Analyse der Paar- Verbundenheitsfunktion und das Finite-Size-Scaling offenbaren kritisches Verhalten mit kritischen Exponenten β = 0:32 ± 0:02, ν = 1:29 ± 0:04 in zwei Dimensionen und β = 0:0021 ± 0:0004, ν = 0:54 ± 0:01 in drei Dimensionen. Die Werte der Exponenten unterscheiden sich von konventioneller Site- und Bond-Perkolation, was darauf hindeutet, dass das Vertex-Modell zu einer neuen Universalitätsklasse gehört. In drei Dimensionen werden außerdem neue Hyperskalen-Beziehungen für das Vertex-Modell vorgeschlagen. Werden die Kanten der Netzwerkstrukturen durch Kreiszylindern mit endlichem Ra- dius ersetzt, können sie als Festkörper in Form eines Netzwerkes interpretiert werden. Nachfolgend werden diese Strukturen Netzwerkkörper genannt. Mithilfe einer Finite- Elemente-Methode, die auf voxelierten Repräsentationen der Strukturen basiert, werden die effektiven, linear-elastischen Eigenschaften berechnet, wobei eine Veränderung von p großen Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften solcher Netzwerkkörper hat. Die Trennung von Netzwerkknoten führt für p < 0:5 zu einem starken Abfall der effektiven linear-elastischen Moduln, deren funktionale Abhängigkeit von p sowohl für periodische als auch nicht-periodische Randbedingungen durch einen exponentiellen Abfall approximiert werden kann. Dies kann für geordnete (Diamant und nbo) und für ungeordnete (Schaum) Ausgangsstrukturen gezeigt werden. Kompressionsexperimente an Laser-gesinterten, auf der Diamantstruktur basierenden Modellen bestätigen dieses Ergebnis. Im Falle periodischer Randbedingungen kann ein Cross-over Verhalten von einem exponentiellen zu einem algebraischen Abfall in (1 − p) nah am kritischen Punkt p = 1 beobachtet werden. Daraus kann der elastische kritische Exponent fc zu fc = 3:0 ± 0:1 abgeschätzt werden, der sich ebenfalls von dem elastischen kritischen Exponenten der Site- und Bondperkolation unterscheidet. Für die morphologische Analyse dieser Arbeit gibt es verschiedene Anwendungen. Für linear-elastische Festkörper legt sie nahe, die Netzwerkverbundenheit als Designparameter, v z.B. für offenzellige Metallschäume oder Knochengerüste, zu verwenden, da die elasti- schen Eigenschaften auf einen bestimmten Wert eingestellt werden können, während die Porenraumgeometrie und somit die Transporteigenschaften kaum verändert werden. Die Ergebnisse der Perkolationsanalyse sind im Speziellen für Netzwerkmodelle biologischer und synthetischer Polymere mit variablem Vernetzungsgrad relevant. vi Parts of the results of the research described in this thesis have been published or accepted for publication in the following journal articles: Susan Nachtrab, Sebastian C. Kapfer, Christoph H. Arns, Mahyar Madadi, Klaus Mecke, Gerd E. Schröder-Turk, Morphology and Linear-Elastic Moduli of Random Network Solids, Advanced Materials, Volume 23, Issue 22-23, pages 2633–2637, 2011 Susan Nachtrab, Sebastian C. Kapfer, Dominik Rietzel, Dietmar Drummer, Mahyar Madadi, Christoph H. Arns, Andrew M. Kraynik, Gerd E. Schröder-Turk and Klaus Mecke, Tuning Elasticity of Open-Cell Solid Foams and Bone Scaffolds via Randomized Vertex Connectivity, Advanced Engineering Materials, 21 September 2011, DOI = 10.1002/adem.201100145 vii Contents 1 Introduction: Networks and Foams1 1.1 Network Structures for Tissue Engineering.................2 1.2 Solid Open-Cell Foams............................3 1.3 Network Percolation and Elastic Properties................5 2 Network models with topology changes: From Open Cells to Fibre Bundles7 2.1 Graph Representation of Networks......................7 2.2 Ordered Four-Coordinated Networks....................8 2.2.1 Diamond Network..........................8 2.2.2 NbO Network.............................9 2.3 Disordered Four-Coordinated Networks................... 10 2.3.1 Voronoi Diagrams.......................... 10 2.3.2 Liquid Foams.............................. 11 2.4 Disconnection Mechanism: Node Separation................. 14 2.4.1 Shifting Nodes When Separating?.................. 15 2.4.2 Periodic Boundary Conditions..................... 21 2.5 Topological Characterisation.......................... 21 3 Percolation Properties 27 3.1 Cluster Characteristics............................ 30 3.2 Scaling Theory................................ 33 3.2.1 Universality Classes.......................... 34 3.2.2 Fractal Dimension Df of a Cluster................. 35 3.2.3 Finite Size Scaling.........................