用弹性失稳“编程”超材料的抗断裂能力

长期以来，开发抗断裂材料面临巨大挑战，主要因为增韧机制涉及从纳米到宏观多个尺度，十分复杂。传统方法多被动观察材料如何断裂，而本研究首次提出“主动编程”断裂行为的新策略：利用机械超材料中可设计的弹性失稳现象（例如结构在受力时发生突然、可逆的形状变化），来主动调控其断裂方式。研究人员通过实验与计算机模拟相结合发现，在一类伪塑性超材料中，通过精细调节其微结构（如梁的曲率、厚度等），可以控制裂纹尖端附近非弹性变形区的大小，从而实现断裂行为的根本转变——从依赖材料自身固有性质的‘本征断裂’（类似脆性断裂），转变为依赖结构整体变形耗能的‘外在断裂’（类似韧性断裂）。这种转变使材料吸收断裂能量的能力大幅提升，最高可达原来的10倍。该成果标志着断裂力学研究从“被动观察断裂”迈向“主动设计抗断”，不仅深化了人们对失稳与断裂相互作用的基础认识，也为仿生设计、防护装备、柔性电子等需要高抗裂性能的领域，提供了一条普适性强、易于实施的新路径：即通过精心设计结构失稳行为，来定制材料的抗断裂能力。