厲害了我的層狀材料，原來你是這樣變形的！

材料牛注：材料彎曲和斷裂是很簡單的兩種形變行為，人們通常用位錯理論解釋內在的機理。但是德雷塞爾大學的研究人員最近發現，位錯理論無法解釋層狀材料變形時產生內扣和漣漪的原因，他們提出了全新的“ripplocation”機理同時指出位錯理論的不足。你能相信嗎？詳情請走進本文。

每種材料都可以彎曲和斷裂。經過近一個世紀的研究，科學家們對于形變的方式和機理已經有了很好的認知。然而德雷塞爾大學材料科學與工程系的研究人員最近有了全新發現：我們對于層狀材料在應力作用下產生的屈服現象認知不足，研究表明，所有的層狀材料（從沉積巖到薄層石墨晶須）變形時會形成一系列內扣（internal buckles）或者漣漪（ripples）。德雷塞爾大學工程學院Barsoum博士等人的研究成果發表在 Scientific Reports雜志上。

Tucker 說：“在位錯理論中，微觀結構的畸變缺陷稱之為位錯，該理論已十分完善而且在幫助我們理解金屬變形方面是相當成功的。但是它從來沒有真正準確地解釋在大多數層狀材料中觀測到的內扣和漣漪的成因。”

Barsoum在研究層狀材料如最大相位、云母和石墨時發現其中存在的內扣和漣漪。2015年初，麻省理工的一個研究小組發表了一篇產生了廣泛影響文章。文中提出了一種新的變形機理很好的描述了在層狀材料表面發生的原子級漣漪。Barsoum認識到這個缺陷并把它命名為“ripplocation”。

Barsoum說：“麻省理工的工作表明雖然位錯理論和ripplocations的運動結果是相同的，即一個原子層相對另一個原子層的移動。但在物理學上它們明顯不同，從根本上說它們是完全不同的個體。”
根據位錯理論，當在層狀固體材料邊緣加載負荷然后卸載負荷，如果是彈性材料，它們會反彈變形回到初始形態，否則會永久變形。

Ripplocation理論提供了第三個解釋，那就是材料返回到初始狀態但是消耗了相當多的能量。大約十年前Barsoum把產生的內扣和漣漪理解為“非線性彈性扭結”，因為它涉及到紐帶的形成即層間的永久帶扣。直到ripplocation理論提出時，一直致力于用位錯理論解釋非線性彈性扭結的Barsoum博士才恍然大悟。

認識到了這個新的模式，Barsoum團隊開始著手去證明ripplocation的存在。他們不僅在麻省理工文章中提到的二維材料表層研究ripplocation，而且也在“塊狀”層狀材料較厚內層研究ripplocation。通過計算機建模并仔細測試石墨原子層的壓縮邊，研究人員發現形變的確和原子級漣漪作用效果一致。

文章第一作者，工程學院博士Jacob Gruber說: “我們在塊狀石墨上進行原子模擬，因為它本身是層狀材料而且相關的研究和負載狀態下應用它十分廣泛。通過約束樣品的邊緣同時壓縮材料，我們觀察到大量可自組裝形成扭結邊界的ripplocations成核和運動。這一結果具有重要意義：這些類型的扭結帶在地質形成和層狀固體畸變中普遍存在。

Tucker認為，材料的這種限制是ripplocation存在的關鍵，同時無論是在發電廠還是在板塊構造中，這也是材料受壓時自然而然出現這種行為的關鍵。他說，非線性彈性扭結有趣之處在于它是一種功能強大的約束。以一副牌為例，當你用鉛筆平行去推牌堆而不限制它們移動，這副牌通常會分成兩堆；然而當你垂直施壓到這副牌而且限制它們移動，鉛筆筆尖將會在這副牌表層留下一個壓痕印記。

為了更好研究材料的這種行為，研究員們研究了被稱為MAX相的層狀陶瓷，通過在陶瓷層間裝球形硬度壓頭進行測試。

Taheri說：“我們得到由于變形而產生缺陷的高分辨率透射電子顯微鏡（TEM）圖像，我們不僅證明了它們不是位錯型的，更重要的是，它們和ripplocations理論的預測成像結果一致。我們已經有了新型固體缺陷的證據，換句話說我們對畸變的微觀結構認識加深了一倍。”

Barsoum認為，ripplocation和它在層狀固體變形中的作用是一個重要的科學發現，因為它適用于大多數層狀材料，很可能也適用于地質構造。自然界和建筑環境中很多的層狀固體在技術上十分重要，所以必須要了解它們的行為。這一新發現要求我們重新審視過去用位錯理論錯誤解釋的數據結果，并重新詮釋它們。

Barsoum打算繼續完成他開創性的MAX相（一種層狀陶瓷）論文，同時通過ripplocation理論的視角去測試新材料。

原文鏈接：Breakthrough in our understanding of how things deform。

文獻鏈接：Evidence for Bulk Ripplocations in Layered Solids。

本文由編輯部楊浩提供素材，張雨翻譯，李卓審核，點我加入材料人編輯部。