「七院院士」高華健教授領銜！清華大學，最新Nature！

受蛋白質啟發！失穩變武器：超材料韌性飆升一個數量級

強度和韌性，就像一對天生的冤家。強度是材料抵抗變形的能力，韌性是材料抵抗裂紋擴展的能力。想要材料強，通常會讓它變脆；想要材料韌，又往往犧牲強度。這個矛盾貫穿了材料科學的發展史。傳統的增韌策略主要分兩路：一是在裂紋尖端前方“內在增韌”，比如金屬中位錯運動吸收能量；二是在裂紋后方“外在增韌”，比如裂紋橋接、偏轉等機制。但無論哪條路，都受限于材料本身的微觀結構。問題的關鍵在于一個叫作“非彈性區”的概念。所謂非彈性區，就是裂紋尖端附近那些發生不可逆變形、吸收能量的區域。這個區域越大，材料就越難斷裂。然而在絕大多數工程材料中，非彈性區被牢牢限制在裂紋尖端極其狹小的范圍內，這也解釋了為什么即使是韌性很好的金屬，當尺寸足夠大時依然可能發生脆性斷裂——歷史上著名的“自由輪”斷裂事故就是血的教訓。

清華大學高華健教授、李曉雁教授領銜，他們將目光投向了力學中另一個常常與“失敗”掛鉤的概念——失穩。在日常生活中，失穩意味著屈曲、坍塌、破壞；但在超材料的世界里，失穩可以被“馴化”成一種功能。研究者的靈感來自生物蛋白質分子。蛋白質在拉伸時呈現一個標志性的三階段力學響應：先是彈性變形，然后是一個應力幾乎不變的“展開”平臺，最后才是骨架拉伸。這個平臺區域相當于一個巨大的非彈性緩沖區，賦予了生物材料卓越的韌性。團隊決定在人工結構中復現這一機制，設計了一種由周期性“雙曲梁”構成的機械超材料，相關論文以“Programming fracture resistance in metamaterials via elastic instabilities”為題，發表在Nature上。

周期性“雙曲梁”結構機械超材料的每個單胞包含一粗一細兩根曲梁，在拉伸時，較細的那根會發生“突跳”式彈性失穩，產生類似塑性變形的響應——研究者稱之為“偽塑性”。關鍵是，這種變形完全是可逆的，不涉及任何材料損傷。通過調節兩個關鍵參數——單胞的幾何設計（細梁厚度與單胞長度之比，ts/l）和構成材料的固化溫度（T2）——研究者能夠精確調控“突跳”何時發生、材料何時斷裂（圖1h）。換句話說，他們擁有了一個可以編程斷裂行為的材料平臺。

圖1 | 設計概念。

在這個平臺上，研究者觀察到了兩種截然不同的斷裂行為。第一種是“內在”斷裂行為（圖2）。在固化溫度T2=150℃、幾何參數ts/l=0.12 的樣品中，突跳失穩只會在裂紋尖端前方觸發，形成一個僅包含四層單胞的非彈性區（圖2a）。無論樣品整體多大，這個區域都保持穩定，不向外擴展（圖2b）。因此，計算出的斷裂能是一個常數，與樣品尺寸無關（圖2c）——這與傳統材料的斷裂韌性完全一致。第二種是“外在”斷裂行為（圖3），堪稱顛覆性的突破。當研究者將幾何參數進一步降低（ts /l=0.10），并采用更低的固化溫度（T2=70℃）以提高材料本身的斷裂應變時，情況發生了質變。突跳失穩依然從裂紋尖端觸發，但這一次它沒有停下。失穩像多米諾骨牌一樣逐層向外蔓延，而非彈性區的擴展并不觸發斷裂——裂紋被牢牢“釘扎”住了（圖3a）。直到整個樣品每一層都完成了突跳轉變，非彈性區擴展到了樣品邊界，裂紋才開始萌生（圖3b）。在這種模式下，斷裂能不再是一個常數。樣品越大，斷裂能越高（圖3c）。斷裂韌性從一種“內在”的材料屬性，轉變成了隨尺寸變化的“外在”參數。

圖2 | 具有內在斷裂韌性的超材料斷裂行為。

圖3 | 具有外在斷裂韌性的超材料斷裂行為。

研究者進一步展示了這種轉變的精確可控性（圖4）。在固定樣品尺寸（nw=16）的條件下，他們通過兩種方式實現了“內在”到“外在”的平滑過渡：一是改變固化溫度T2（圖4a-c），二是改變結構參數 ts/l（圖4c-e）。非彈性區的層數可以從3層、5層、7層一直增加到觸及邊界的8層，每一步都對應著斷裂能的可預測躍升（圖4f-g）。這些實驗結果與理論模型高度吻合。團隊建立的理論“相圖”清晰地勾畫了不同參數下斷裂行為的邊界（圖4h-i），并推導出外在行為區斷裂能與樣品尺寸之間的數學關系，這一預測在實驗中得到了完美驗證（圖4j-l）。在最優條件下——采用氫氧化鈉浸泡法將材料斷裂應變提升至約0.8——即使在幾何參數較大的樣品（ts/l=0.14）中，也實現了外在斷裂行為。斷裂能達到0.59 kJ m-2，相比非彈性區為零的樣品提升了近一個數量級（圖4m-n）。

圖4 | 斷裂韌性的內在-外在轉變及理論分析。

如此巨大的增韌效果，到底來自哪里？研究者巧妙地將超材料的總斷裂能解耦為兩部分：一部分來自構成材料本身的斷裂能（約 0.056kJ m-2），另一部分則來自結構設計帶來的額外耗散，他們稱之為“結構非彈性”。結果令人震撼。在斷裂能高達0.59kJ m-2的外在行為樣品中，材料本身的貢獻僅占不到10%，超過90%的斷裂能增量都來自彈性失穩所引發的結構非彈性耗散。換句話說，即使不改變任何化學成分，僅僅通過結構設計放大失穩效應，就能讓材料獲得遠超自身的斷裂韌性。事實上，在最優設計中，超材料的斷裂能已經達到了實心材料（0.2 kJ m-2）的近三倍。

這項研究的價值不僅在于某一個具體的設計，更在于其普適性。研究者證明，這一基于彈性失穩的增韌策略可以推廣到不同尺度、不同維度以及不同加載模式。為了展示進一步提升的潛力，研究者在單胞的尖角處引入了平滑的圓弧過渡（倒角）以緩解應力集中，從而延遲斷裂萌生。這一看似簡單的改進帶來了驚人的效果：斷裂能被推升至2.78 kJ m-2，不僅比純基體材料（0.2 kJ m-2）高出1290%，更是比非彈性區為零的內在行為樣品（0.057 kJ m-2）高出4777%——即提升了近48倍。

這項研究的深層意義在于，它將“失穩”和“斷裂”這兩個傳統上被割裂的失效模式首次連接在了一起。失穩不再是需要規避的風險，而成為了主動調控斷裂行為的工具。在傳統材料中，非彈性區受限于微觀機制，難以放大；而在這些超材料中，結構非彈性可以被設計、被放大、被離域化，從而實現數量級的韌性提升。研究者指出，未來若能引入形狀記憶聚合物、液晶彈性體等主動材料，甚至可能實現斷裂行為的實時可逆編程——即材料在服役過程中可以根據需要改變自身的斷裂響應。此外，斷裂與失穩之間還存在豐富的動態耦合效應等待探索：裂紋的擴展可以觸發新的失穩，而失穩波的傳播又可以反過來釘扎裂紋。這一交叉領域才剛剛被打開，未來大有可為。