探索宇宙奧秘 · 理性思考

你有沒有想過，為什么有些材料明明看起來很厚實(shí)，卻會在一瞬間徹底崩碎？

或者是你的手機(jī)屏幕，有時候摔一下只是有個裂痕，有時候卻會像蛛網(wǎng)一樣迅速蔓延。

在傳統(tǒng)的工程學(xué)認(rèn)知里，如果材料內(nèi)部有一些微小的雜質(zhì)或者不均勻的結(jié)構(gòu)，它們通常被視為“減速帶”。

當(dāng)裂紋蔓延到這些地方時，會被阻擋或被迫繞路，從而消耗掉能量，讓材料變得更堅(jiān)韌。

喬治亞理工學(xué)院的一項(xiàng)最新研究卻給出了一個出人意料的結(jié)論：這些異質(zhì)性并不總是保護(hù)傘。

這一發(fā)現(xiàn)不僅挑戰(zhàn)了經(jīng)典的斷裂力學(xué)常識，也為我們開發(fā)超強(qiáng)材料提供了全新的設(shè)計(jì)思路。

要理解這個現(xiàn)象，我們先得看看裂紋是怎么“走路”的。

裂紋的本質(zhì)是材料內(nèi)部的化學(xué)鍵在斷裂，這個過程需要消耗能量。

在玻璃等簡單分子構(gòu)成的材料中，裂紋跑得快還是跑得慢，消耗的能量其實(shí)差不多。

對于這類材料，加入一些異質(zhì)性確實(shí)能起到“阻礙”作用，讓材料變得更強(qiáng)韌。

但在聚合物、塑料或凝膠這類由復(fù)雜長鏈分子構(gòu)成的材料中，情況就完全不同了。

這些材料內(nèi)部存在微觀摩擦，裂紋跑得越快，分子間的“粘滯”阻力就越大，消耗的能量也越多。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)裂紋在這些材料中高速行駛時，異質(zhì)性不再是障礙，反而可能成為助推器。

這就好比一輛賽車在摩擦力很大的跑道上行駛，某些不均勻的缺陷反而減小了局部阻力，讓裂縫一掠而過。

既然知道了異質(zhì)性的雙重作用，那我們該如何把它們放進(jìn)材料里呢？

Kolvin教授對比了兩種方案：一種是像網(wǎng)格一樣整齊排列的人造圖案，另一種是像河床巖石那樣雜亂無章的分布。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次令人驚訝：那些看似“亂七八糟”的無序結(jié)構(gòu)，竟然比大多數(shù)精心設(shè)計(jì)的規(guī)則圖案更堅(jiān)韌。

在所有測試的規(guī)則圖案中，只有一種能達(dá)到和無序結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)捻g性，其他的表現(xiàn)都差強(qiáng)人意。

這解釋了為什么大自然進(jìn)化出的骨骼、貝殼等天然材料，往往有著極其復(fù)雜的微觀不均勻性。

這種“亂中有序”的紊亂，其實(shí)是自然界在數(shù)億年間優(yōu)化的結(jié)果，它能最有效地吸收不同方向的沖擊。

這也提醒了工程師們，有時候過于追求完美的對稱和規(guī)則，反而會削弱材料的抗斷裂能力。

在斷裂力學(xué)和計(jì)算材料學(xué)領(lǐng)域，中國學(xué)者的身影一直非?；钴S。

從上世紀(jì)五十年代開始，中國就在大型水利工程、橋梁建設(shè)中積累了深厚的斷裂力學(xué)基礎(chǔ)。

目前，西安交通大學(xué)、清華大學(xué)以及中科院力學(xué)所等機(jī)構(gòu)，在復(fù)合材料失效分析上已處于世界領(lǐng)先地位。

特別是在航空航天領(lǐng)域，中國科學(xué)家對于碳纖維復(fù)合材料的異質(zhì)性研究，直接關(guān)系到國產(chǎn)大飛機(jī)的結(jié)構(gòu)安全。

以前我們更多是模仿國外的設(shè)計(jì)規(guī)范，通過增加厚度來確保安全，這在學(xué)術(shù)上被稱為“過設(shè)計(jì)”。

而現(xiàn)在的研究趨勢，正像Kolvin教授所做的那樣，通過底層物理邏輯來精準(zhǔn)預(yù)測裂紋的行為。

這意味著我們可以用更輕的材料、更巧妙的缺陷布局，來實(shí)現(xiàn)比以往更高的強(qiáng)度。

中國在“近場動力學(xué)”等新興斷裂理論的計(jì)算效率上，也已經(jīng)取得了許多突破性的成果。

這項(xiàng)研究的影響力并不僅僅局限在實(shí)驗(yàn)室的試樣瓶里，它甚至能幫助我們預(yù)測地震。

地震的本質(zhì)其實(shí)就是地殼巖層的大尺度斷裂，而地殼無疑是極度不均勻、充滿褶皺和斷層的地方。

以前我們要模擬這種三維的、充滿雜質(zhì)的復(fù)雜斷裂，往往需要動用昂貴的超級計(jì)算機(jī)。

但Kolvin團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新工具，通過簡化計(jì)算邏輯，讓普通桌面電腦也能完成大規(guī)模系統(tǒng)的裂紋模擬。

這種計(jì)算效率的飛躍，意味著地質(zhì)學(xué)家可以更頻繁地模擬各種極端情況下的斷層活動。

它降低了科學(xué)探索的門檻，讓更多研究者能從微觀的分子摩擦，聯(lián)想到宏觀的板塊碰撞。

正如研究者所言，工具的進(jìn)化往往是發(fā)現(xiàn)的先導(dǎo)，我們對物質(zhì)世界的理解正在進(jìn)入一個新的維度。