汽車輪胎、人體組織和蜘蛛網(wǎng)等材料的成分各不相同，但都包含由相互連接的鏈組成的網(wǎng)狀物。關(guān)于這些材料的耐久性，一個長期存在的問題是：破壞這些不同的網(wǎng)狀物需要多少能量？據(jù)外媒報道，最近，麻省理工學(xué)院（MIT）研究人員在期刊《物理評論X（Physical Review X）》上發(fā)表的一篇論文為此提供了新的見解。

（圖片來源：麻省理工學(xué)院）

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程和土木及環(huán)境工程學(xué)教授Xuanhe Zhao表示：“這項研究結(jié)果揭示了一條簡單的普遍規(guī)律，該規(guī)律掌控著不同材料和長度比例網(wǎng)狀物的斷裂能。這一發(fā)現(xiàn)對于設(shè)計新材料、新結(jié)構(gòu)和超材料具有重要意義，有助于創(chuàng)造極其堅韌、柔軟且可拉伸的體系。”

盡管人們已經(jīng)認(rèn)識到在此類網(wǎng)狀物設(shè)計中抗故障能力的重要性，但迄今為止現(xiàn)有物理模型還未將鏈力學(xué)和聯(lián)結(jié)度有效地聯(lián)系起來，以預(yù)測整體斷裂性能。這項新研究揭示了一種可以跨長度比例的普遍比例定律，并且有望預(yù)測不同網(wǎng)狀物的固有斷裂能。

該論文主要作者之一、研究生Chase Hartquist表示：“這一理論有助于預(yù)測通過推進(jìn)裂縫來破壞這些網(wǎng)狀物需要多少能量。事實證明，通過讓這些鏈更長、更具延展性，或者在斷裂之前抵抗更大的力，人們可以設(shè)計出這些材料的更堅固版本。”

為了驗證這些結(jié)果，該團(tuán)隊3D打印了一個巨大的、可拉伸的網(wǎng)狀物，使它們能夠在實踐中演示斷裂性能。研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管網(wǎng)狀物中存在差異，但它們都遵循了一個簡單而可預(yù)測的規(guī)則。除了鏈本身的變化之外，通過將鏈連接成更大的環(huán)，網(wǎng)狀物也可以變得更堅固。Hartquist表示：“通過調(diào)整這些特性，汽車輪胎可以使用更長的時間，組織可以更好地抵抗損傷，蜘蛛網(wǎng)也可以變得更耐用。”

Zhao實驗室的博士后Shu Wang認(rèn)為，這意味著相同的規(guī)則可以應(yīng)用于描述各種各樣的材料，從而更便于為特定情況設(shè)計最佳材料。

這項研究代表了新興“結(jié)構(gòu)材料（architected materials）”領(lǐng)域的進(jìn)步。在這個領(lǐng)域中，材料本身的結(jié)構(gòu)賦予其獨(dú)特的性質(zhì)。研究人員表示，這一發(fā)現(xiàn)揭示了如何通過專注于將結(jié)構(gòu)中的片段設(shè)計得更堅固、更可延伸，從而使這些材料更加堅韌。該策略適用于各個領(lǐng)域的材料，可用于提高軟體機(jī)器人執(zhí)行器的耐用性、增強(qiáng)工程組織的韌性，甚至為航空航天技術(shù)制造彈性晶格。