最新研究表明，科學(xué)家們最終可以用一種可行的方式創(chuàng)造出一種抗破碎和斷裂的材料。通過模擬和對(duì)所謂超材料的人造結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)它們可以通過調(diào)整材料的基礎(chǔ)硬度不斷克服材料失效問題。這一研究發(fā)表在Proceedings of the National Academy of Sciences，研究人員通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬探索了材料硬度變化的影響。

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

    研究表明，當(dāng)一個(gè)固體硬度接近某一確定值時(shí)，它的失效行為會(huì)發(fā)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(tǒng)的方法研究和控制這種現(xiàn)象將使科學(xué)家們更好地了解物質(zhì)是如何破碎的。

    當(dāng)系統(tǒng)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(duì)直的裂縫穿插其中。但是當(dāng)系統(tǒng)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(gè)材料隨機(jī)的地方產(chǎn)生。最終有很多的聯(lián)接斷裂，這些斷裂帶以不規(guī)則的模式連接在一起，導(dǎo)致材料斷裂。

    研究人員還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料變得更加柔軟時(shí)，它的失效區(qū)會(huì)變寬，這為科學(xué)家們了解失效機(jī)理提供了一個(gè)更廣闊的視野。與在微觀尺度上進(jìn)行材料研究不同，研究人員可以降低材料剛度，在本質(zhì)上阻止失效區(qū)域產(chǎn)生。

    荷蘭萊頓大學(xué)洛侖茲研究所的物理學(xué)家，項(xiàng)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(xiàng)研究的科學(xué)家們表示，這項(xiàng)研究為材料失效機(jī)理提供了一個(gè)更寬泛的解釋，開辟了包括破碎機(jī)理和失效控制在內(nèi)的新的研究領(lǐng)域。

    伊利諾伊大學(xué)香檳分校的物理學(xué)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(chǎn)生的不同條件：一種是剛性材料，另一種是低硬度材料。”當(dāng)然他沒有參與項(xiàng)目研究。

    “這項(xiàng)研究將引發(fā)許多后續(xù)研究，因?yàn)樗峁┙o了我們一種在許多不同材料空間范圍內(nèi)對(duì)斷裂的控制和強(qiáng)有力的理論解釋。”

    康奈爾大學(xué)的物理學(xué)教授James Sethna也同意這個(gè)觀點(diǎn)。他說：“一個(gè)系統(tǒng)的理論可以讓我們通過裂紋、應(yīng)力和彎曲來預(yù)測(cè)材料損傷，最重要的是，當(dāng)我們制造材料時(shí)，所有這些因素都是牽一發(fā)而動(dòng)全身的。”Sethna也沒有參與項(xiàng)目研究。“完美的、系統(tǒng)的方法可以避免實(shí)驗(yàn)和失誤。”