新發現！材料硬度決定斷裂方式

材料牛注：科學家從一個新的方向對材料斷裂進行了研究，發現了一種新的材料斷裂機理，這可能是一個讓我們制造出新型抗斷裂材料的機會。

最新研究表明，科學家們最終可以用一種可行的方式創造出一種抗破碎和斷裂的材料。通過模擬和對所謂超材料的人造結構進行研究，科學家們發現它們可以通過調整材料的基礎硬度不斷克服材料失效問題。這一研究發表在Proceedings of the National Academy of Sciences，研究人員通過實驗和計算機模擬探索了材料硬度變化的影響。

芝加哥大學的物理學教授，論文的共同作者Sidney R. Nagel說：“這項研究表明，這是一個可以在確定材料失效機理研究領域進行探索和利用的焦點。雖然在這點上只是猜測，但是這項工作可以采用更好的材料制造方式來抵御災難性失敗造成的影響。”

研究表明，當一個固體硬度接近某一確定值時，它的失效行為會發生完全不同變化，材料的自然破碎與高硬度或低硬度情況下的破碎完全不同。用系統的方法研究和控制這種現象將使科學家們更好地了解物質是如何破碎的。

當系統呈剛性，比如窗戶玻璃，它的連接是致密的，并且有新的、狹窄和相對直的裂縫穿插其中。但是當系統呈松軟的低剛性，它有更少的致密相，這些致密相的第一次破裂看似在整個材料隨機的地方產生。最終有很多的聯接斷裂，這些斷裂帶以不規則的模式連接在一起，導致材料斷裂。

研究人員還發現，當材料變得更加柔軟時，它的失效區會變寬，這為科學家們了解失效機理提供了一個更廣闊的視野。與在微觀尺度上進行材料研究不同，研究人員可以降低材料剛度，在本質上阻止失效區域產生。

荷蘭萊頓大學洛侖茲研究所的物理學家，項目合作者Vincenzo Vitelli表示：“降低材料的剛度，在某種意義上就像拿著放大鏡，可以讓你放大裂紋寬度，即使是微小的尺寸也可以變得和樣本尺寸一樣大。”

熟悉這項研究的科學家們表示，這項研究為材料失效機理提供了一個更寬泛的解釋，開辟了包括破碎機理和失效控制在內的新的研究領域。

伊利諾伊大學香檳分校的物理學教授Karin?Dahmen說：“研究人員將小裂縫造成的斷裂和大裂縫造成的斷裂放在一張底片上，說明它們產生的不同條件：一種是剛性材料，另一種是低硬度材料。”當然他沒有參與項目研究。

“這項研究將引發許多后續研究，因為它提供給了我們一種在許多不同材料空間范圍內對斷裂的控制和強有力的理論解釋。”

康奈爾大學的物理學教授James Sethna也同意這個觀點。他說：“一個系統的理論可以讓我們通過裂紋、應力和彎曲來預測材料損傷，最重要的是，當我們制造材料時，所有這些因素都是牽一發而動全身的。”Sethna也沒有參與項目研究。“完美的、系統的方法可以避免實驗和失誤。”

原文鏈接：How stuff breaks depends on if it’s rigid or floppy

文獻鏈接：The role of rigidity in controlling material failure

本文由編輯部劉萬春提供素材，宋金磊編譯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。

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