打破常規：如何透過無序結構強化材料韌性

切開一塊骨頭，你會看到一種微妙而無序的結構。被稱為骨小樑的微小樑柱以不規則的方式相互連線，分散壓力並賦予骨頭驚人的韌性。如果人造材料也能展現類似的特性，會是什麼樣子？

在《PNAS Nexus》期刊上發表的一篇新論文中，賓州大學工程學院、文理學院以及奧胡斯大學的研究人員發現，在某些材料的結構中加入適量的無序性，可以使其抗裂能力提升超過兩倍。這項發現為所謂的「機械超材料」的更廣泛應用開啟了大門。這類材料的內部結構——通常透過3D列印和雷射切割等數位製造技術生產——賦予它們獨特的特性，包括更高的強度或剛度。

到目前為止，機械超材料面臨的最大挑戰之一是其脆弱性。賓州大學工程學院機械工程與應用力學系主任凱文·特納教授指出：「韌性是許多3D列印機械超材料的限制因素。」這項新研究以相對低的成本解決了這一問題。特納表示：「完全不需要改變材料本身，只需調整內部幾何結構，就能將韌性提高2.6倍。」這種最佳化的無序設計能將壓力分散到整個基礎結構中，從而抵抗開裂並提升韌性。

自然界中的材料通常在小尺度上展現出無序性。除了人類的骨頭，研究人員還提到了珍珠層（貝殼內部的彩虹色物質）以及貽貝用於附著表面的絲線。這些材料並非由規則的重複結構組成，而是其結構元件之間存在微小的、看似隨機的變化。

幾十年來，工程師們一直從自然界中汲取靈感，但通常只複製易於製造的結構，例如蜂巢圖案。這種結構能在保持材料強度的同時減輕重量，並被應用於某些紙板包裝和飛機機翼內的金屬加韌體。特納指出：「這是一種非常規則的圖案。」

相比之下，論文中測試的超材料展現了從規則到高度無序的多種圖案。論文的主要作者、賓州大學工程學院的博士後研究員賽吉·富爾科表示：「表現最好的樣本中，裂紋最難擴充套件，它們並非由規則的重複圖案組成，而是在不同區域具有不同的幾何結構。」

為了測試無序性是否能提高機械超材料的韌性，研究人員基於三角形晶格（稱為桁架）進行了數千次計算力學模擬。在某些模擬中，三角形以完美的對稱性排列，而在另一些模擬中，圖案被移動節點所擾亂。

研究團隊對這些圖案進行了多輪電腦模擬，並製作了包括有序幾何結構和不同無序程度的代表性幾何結構的實體樣本。當他們在實驗室和模擬中嘗試破壞這些材料時，一個清晰的趨勢出現了。富爾科表示：「存在一個特定的無序程度，使得我們切割到材料中的圖案看起來有些規則但並非完全對稱，這讓我們能夠達到最佳效能。」

最佳的無序程度——既不太少也不太多——在保持材料強度和剛度的同時提升了韌性，但設計過程比重複結構複雜得多。特納指出：「無序系統在工程中並不常用，因為設計要複雜得多。」

富爾科與奧胡斯大學機械與生產工程系副教授麥可·布迪克合作，精細調整了製造過程，並前往丹麥使用布迪克實驗室中的高精度雷射切割機來雕刻圖案。富爾科表示：「我必須完全重建我們的實驗裝置，以利用他們的製造裝置，但這讓實驗最終成功。」

為了理解無序結構如何提高韌性，研究團隊與賓州文理學院物理與天文學教授道格拉斯·杜裡安及其實驗室的博士後研究員蕭宏毅合作進行了一項實驗。當某些材料（包括富爾科切割圖案的聚合物）被拉伸時，它們的雙折射特性（使光線分裂成兩條不同路徑的特性）會發生變化。透過適當的設定，材料的外觀會隨著機械壓力的不同而改變。

研究人員在載入樣本至破壞的過程中，拍攝了具有不同圖案（包括規則圖案和不同無序程度）的樣本影象，從而精確地觀察到裂紋在材料中擴充套件的情況。簡而言之，無序性阻止了裂紋以直線傳播。富爾科解釋道：「裂紋要穿過無序材料，損壞必須發生在更大的區域。」在團隊拍攝的影象中，對稱樣本中的斷裂事件在直線上更為集中，而在最佳無序樣本中則分散開來。

展望未來，研究人員希望他們的發現能鼓勵對機械超材料和機械設計中無序圖案的更廣泛探索。富爾科表示：「我們使用了三角形，但這項工作非常基礎，其他團隊可以將其應用於許多不同的幾何結構。」這項受自然啟發的設計的成功也表明，工程師們可能還有更多可以從自然材料的設計中學習的地方。富爾科補充道：「結合不同型別的材料並在不同尺度上新增不同的幾何結構是非常令人興奮的機會，這是我們在觀察最高效能的自然材料時所看到的。」

最終，研究團隊希望這些進展能推動改進材料和結構的開發，並應用於航空航太等行業，這些行業中抵抗裂紋擴充套件和容忍損壞至關重要。特納總結道：「我們透過識別一種幾何路徑來提高韌性，從而推動機械超材料在結構應用中的更廣泛使用。」