麻省理工学院发现新普遍规律掌控跨材料和长度比例网状物的断裂能

盖世汽车讯 汽车轮胎、人体组织和蜘蛛网等材料的成分各不相同，但都包含由相互连接的链组成的网状物。关于这些材料的耐久性，一个长期存在的问题是:破坏这些不同的网状物需要多少能量？据外媒报道，最近，麻省理工学院研究人员在期刊《物理评论X(Physical Review X)》上发表的一篇论文为此提供了新的见解。

麻省理工学院机械工程和土木及环境工程学教授Xuanhe Zhao表示:“这项研究结果揭示了一条简单的普遍规律，该规律掌控着不同材料和长度比例网状物的断裂能。这一发现对于设计新材料、新结构和超材料具有重要意义，有助于创造极其坚韧、柔软且可拉伸的体系。”

尽管人们已经认识到在此类网状物设计中抗故障能力的重要性，但迄今为止现有物理模型还未将链力学和联结度有效地联系起来，以预测整体断裂性能。这项新研究揭示了一种可以跨长度比例的普遍比例定律，并且有望预测不同网状物的固有断裂能。

该论文主要作者之一、研究生Chase Hartquist表示:“这一理论有助于预测通过推进裂缝来破坏这些网状物需要多少能量。事实证明，通过让这些链更长、更具延展性，或者在断裂之前抵抗更大的力，人们可以设计出这些材料的更坚固版本。”

为了验证这些结果，该团队3D打印了一个巨大的、可拉伸的网状物，使它们能够在实践中演示断裂性能。研究人员发现，尽管网状物中存在差异，但它们都遵循了一个简单而可预测的规则。除了链本身的变化之外，通过将链连接成更大的环，网状物也可以变得更坚固。Hartquist表示:“通过调整这些特性，汽车轮胎可以使用更长的时间，组织可以更好地抵抗损伤，蜘蛛网也可以变得更耐用。”

Zhao实验室的博士后Shu Wang认为，这意味着相同的规则可以应用于描述各种各样的材料，从而更便于为特定情况设计最佳材料。

这项研究代表了新兴“结构材料”领域的进步。在这个领域中，材料本身的结构赋予其独特的性质。研究人员表示，这一发现揭示了如何通过专注于将结构中的片段设计得更坚固、更可延伸，从而使这些材料更加坚韧。该策略适用于各个领域的材料，可用于提高软体机器人执行器的耐用性、增强工程组织的韧性，甚至为航空航天技术制造弹性晶格。