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（MIT）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（architected materials）”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。
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