根據(jù)哲學(xué)家弗里德里?！つ岵伤f：那些殺不死你的，終將讓你變得更強(qiáng)大！誰會(huì)想到類似的概念可能也適用于材料？挪威科技大學(xué)(NTNU)和奧斯陸大學(xué)(UIO)卓越研究中心PoreLab的負(fù)責(zé)人亞歷克斯·漢森(Alex Hansen)教授說：混凝土如此堅(jiān)固的原因是因?yàn)樗趿?。PoreLab的研究人員主要使用混凝土等多孔材料，在他們的世界中，這種事情可能會(huì)發(fā)生。此外，研究人員還考慮了材料在承受壓力時(shí)會(huì)發(fā)生什么，其中一些發(fā)現(xiàn)有些出人意料。

例如，為什么具體會(huì)以這種方式發(fā)揮作用？混凝土看起來很緊湊，但實(shí)際上充滿了小孔，這些孔使材料更堅(jiān)固。從基礎(chǔ)知識(shí)開始：當(dāng)你的汽車擋風(fēng)玻璃出現(xiàn)裂縫時(shí)，可以通過在上面鉆一個(gè)洞來阻止裂縫的擴(kuò)散。未經(jīng)處理的裂紋在裂紋尖端具有高度集中的力。如果在這一點(diǎn)上鉆一個(gè)洞，力反而會(huì)擴(kuò)散到孔周圍，并減輕玻璃上的壓力。在多孔混凝土中也會(huì)發(fā)生類似情況，如果混凝土中有裂縫，由于所有的孔，力就會(huì)分布在整個(gè)材料中，至少自中世紀(jì)以來，人們就已經(jīng)知道這些力機(jī)制。

17世紀(jì)特隆赫姆Kristiansten堡壘的建造者將動(dòng)物身體的遺骸放入材料中。當(dāng)動(dòng)物腐爛并釋放氣體時(shí)，它們使材料多孔，從而變得更堅(jiān)固。但這并不能解釋為什么材料在壓力下會(huì)變得更強(qiáng)。這個(gè)想法與直覺背道而馳，材料不是應(yīng)該變得更弱嗎？到底怎么回事？來自臺(tái)灣師范大學(xué)物理系的博士生Jonas T?gersen Kjellstadli可以解釋這個(gè)過程。Kjellstadli與漢森、研究員Srutarshi Pradhan和博士生Eivind Bering合作研究這一現(xiàn)象。Kjellstadli說：材料的“強(qiáng)項(xiàng)”部分包圍“弱項(xiàng)”部分并保護(hù)它們。

像混凝土這樣的材料并不是在所有地方都同樣堅(jiān)固，盡管它看起來可能很像。表面均勻的材料有弱區(qū)和強(qiáng)區(qū)，這些區(qū)域在整個(gè)區(qū)域中隨機(jī)分布。在Kjellstadli使用的計(jì)算機(jī)模型中，強(qiáng)區(qū)域分布在材料中，當(dāng)纖維受到壓力時(shí)，它們保護(hù)薄弱區(qū)域。這發(fā)生在如此強(qiáng)烈的程度，使材料穩(wěn)定，變得不那么容易受到這樣的應(yīng)力。此效果僅適用于強(qiáng)區(qū)域和弱區(qū)域在整個(gè)材質(zhì)中分布不均勻的情況。而且它只適用于某個(gè)閾值，材料不斷地被應(yīng)力達(dá)到某一最大閾值或另一閾值，在那里應(yīng)力的力不能再被吸收。

遲早，這種材料會(huì)突然發(fā)生災(zāi)難性的失效。研究人員還設(shè)想了可能的應(yīng)用，如果可以使用這些基本知識(shí)來預(yù)測材料何時(shí)失效，會(huì)發(fā)生什么情況？什么時(shí)候壓力才會(huì)變得太大？研究使用的計(jì)算機(jī)模型與觀察到材料被應(yīng)力載荷加強(qiáng)的計(jì)算機(jī)模型相同。在此基礎(chǔ)上，增加了一些實(shí)際的實(shí)驗(yàn)，直到應(yīng)力負(fù)荷對(duì)材料來說變得太大。漢森自2000年以來一直對(duì)這個(gè)話題感興趣，當(dāng)時(shí)他聽說南非的礦井會(huì)突然坍塌。了解這些相同的原理，有朝一日可以在隧道施工過程中作為輔助，或預(yù)測地震。

這些想法仍然是推測性，應(yīng)用還有待于一些遙遠(yuǎn)的未來，但研究人員的雄心壯志很高。正在努力想出一個(gè)通用的模型，以備災(zāi)難性故障發(fā)生時(shí)使用。這個(gè)目標(biāo)是否可行，還不知道，但這正是PoreLab負(fù)責(zé)開展的那種高風(fēng)險(xiǎn)研究，如果他們成功了，潛在的收益是巨大的。在計(jì)算機(jī)模型中，觀察到材料的彈性能量在失效前達(dá)到峰值，自從2000年開始在印度加爾各答薩哈核物理研究所的Bikas K.Chakrabarti教授的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)以來，他一直致力于預(yù)測材料何時(shí)會(huì)破裂的研究，相信這有潛力擴(kuò)展到實(shí)際情況中。

博科園｜研究/來自：挪威科技大學(xué)

參考期刊《物理學(xué)前沿》

DOI: 10.3389/fphy.2019.00105

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普

關(guān)注【博科園】看更多大美宇宙科學(xué)