新研究推翻原有脆性裂纹理论，脆性机制更加完善

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在《Nature Physics》上刚发表的一篇论文中，东北大学物理艺术与科学系杰出教授阿兰·卡尔玛（Alain Karma）与他的博士后研究员陈志鸿博士，同魏兹曼科学院化学物理系的Eran Bouchbinder教授共同合作，研究发现，当脆性材料迅速扩散时，会导致裂纹发生异常。这项研究的结果将有助于研究人员更好地了解玻璃、陶瓷、聚合物和骨等脆性材料——这些破裂经常是灾难性的，以及研究如何更好地设计材料以避免破裂。

Karma教授的目标是了解材料如何破裂。因为材料的主要缺陷是通过裂纹扩展，这在材料科学、建筑和产品开发方面一直是一个问题。更具体地说，教授协同研究团队想要了解裂纹边缘周围高应力集中区域的机械性能如何影响裂纹动力学。

Karma说：“虽然直缝在理论上可以像声速那样快速地穿过材料，但是由于实际上并没有达到这个速度，它们仍然无法实现。我们已经证明，这是因为当速度足够高时，裂纹会变得不稳定，这就会导致裂纹尖端发生从一侧到另一侧的摆动现象，并且裂纹穿过材料时其路径是波浪形，而这种不稳定性已经被传统的断裂理论所忽略，这些理论都认为，材料内部的拉伸和作用力之间的关系是线性的，也就是说，使作用力加倍，会使拉伸量增加一倍。我们的研究表明，这个理论在裂纹尖端附近被打破，并解释了拉伸和作用力之间的非线性关系如何产生振荡，以及产生一个与材料特性相关的良好周期。”

通过这项研究，Karma教授及其同事开发了一种新颖的理论，以帮助研究人员通过大规模的计算机模拟来预测不同条件下裂纹的动态，这有助于人们理解某些材料为什么以及如何失效。

随着这项研究的成功，Karma教授希望继续开展更多的相关工作。他说：“起初，这项研究使用的是非常薄的准二维材料，我们计划把这项研究发展到三维散装材料中去，防止裂纹在声速下破裂的不稳定性发生在比2D更低的裂纹速度，但是这一机制尚不清楚。”

为了阐明这一机制，该团队计划研究微分支的三维现象，当主裂纹分裂成许多微裂纹时，了解其脆性材料散装样品的裂纹起源。Karma说，“我们认为力与变形之间的非线性关系是微分支裂纹不稳定的根源，并且我们认为我们可以解决这个问题。”