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這種結(jié)構(gòu)可防止裂紋擴(kuò)展，并增強(qiáng)材料的韌性。圖片來源：Sameer A. Khan/ Fotobuddy

普林斯頓大學(xué)的工程師們從人類骨骼堅韌的外層汲取靈感，創(chuàng)造出一種水泥基材料。這種生物啟發(fā)設(shè)計的抗破壞性是傳統(tǒng)材料的 5.6 倍，能夠更好地抵御開裂，防止突然失效，而這正是傳統(tǒng)脆性水泥基材料的常見問題。

在最近發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）雜志上的一項研究中，由土木與環(huán)境工程系助理教授 Reza Moini 和博士三年級學(xué)生 Shashank Gupta 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組證明，采用管狀結(jié)構(gòu)的水泥漿可以顯著提高抗裂紋擴(kuò)展的能力，并改善變形能力而不會突然失效。

古普塔說："脆性建筑材料的工程難題之一是它們會以一種突然的、災(zāi)難性的方式失效。在建筑和民用基礎(chǔ)設(shè)施中使用的脆性建筑材料中，強(qiáng)度確保了承受載荷的能力，而韌性則支持結(jié)構(gòu)抗開裂和抗破壞擴(kuò)散的能力。為解決這些問題，我們提出了一種既能保持強(qiáng)度，又比傳統(tǒng)材料更堅韌的材料。"

Moini 說，改進(jìn)的關(guān)鍵在于有目的地設(shè)計內(nèi)部結(jié)構(gòu)，平衡裂縫前端的應(yīng)力和整體機(jī)械響應(yīng)。利用斷裂力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)的理論原理，'通過設(shè)計'改善材料的基本特性。

研究人員 Reza Moini（左）和 Shashank Gupta 創(chuàng)造出更堅固耐用的建筑材料。圖片來源：Sameer A. Khan / Fotobuddy

研究小組的靈感來自人類的皮質(zhì)骨，這是人類股骨的致密外殼，可以提供強(qiáng)度并防止骨折。皮質(zhì)骨由被稱為"骨子"的橢圓管狀成分組成，它們被薄弱地嵌入有機(jī)基質(zhì)中。這種獨特的結(jié)構(gòu)使骨質(zhì)周圍的裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)。古普塔說，這可以防止突然斷裂，并增加裂紋擴(kuò)展的整體阻力。

研究小組的生物啟發(fā)設(shè)計在水泥漿中加入了圓柱形和橢圓形管子，這些管子與不斷擴(kuò)展的裂縫相互作用。

Moini 說："當(dāng)加入空心管時，人們預(yù)計材料的抗開裂性會降低。我們了解到，通過利用空心管的幾何形狀、尺寸、形狀和取向，我們可以促進(jìn)裂縫與空心管之間的相互作用，從而增強(qiáng)一種性能，而不會犧牲另一種性能。"

研究小組發(fā)現(xiàn)，這種增強(qiáng)的裂紋與管材的相互作用啟動了一種階梯式增韌機(jī)制，裂紋首先被管材阻擋，然后延遲擴(kuò)展，從而在每一次相互作用和每一個階梯中都產(chǎn)生額外的能量耗散。

古普塔說："這種循序漸進(jìn)機(jī)制的獨特之處在于，每條裂紋的延伸都受到控制，從而避免了突然的災(zāi)難性破壞。材料不會一下子斷裂，而是能夠承受漸進(jìn)式的破壞，從而變得更加堅韌。"

解決韌性和失調(diào)問題的創(chuàng)新方法

與通過添加纖維或塑料來強(qiáng)化水泥基材料的傳統(tǒng)方法不同，普林斯頓大學(xué)團(tuán)隊的方法依賴于幾何設(shè)計。通過操縱材料本身的結(jié)構(gòu)，他們在不需要額外材料的情況下顯著提高了材料的韌性。

除了提高斷裂韌性，研究人員還引入了一種量化無序程度的新方法，這是設(shè)計的一個重要指標(biāo)。在統(tǒng)計力學(xué)的基礎(chǔ)上，研究小組引入了參數(shù)來量化結(jié)構(gòu)材料的無序程度。這樣，研究人員就能創(chuàng)建一個反映結(jié)構(gòu)無序程度的數(shù)值框架。

研究人員說，新框架更準(zhǔn)確地描述了材料的排列，超越了周期性和非周期性的簡單二元分類，而轉(zhuǎn)向從有序到隨機(jī)的光譜。這項研究與那些將不規(guī)則性和擾動與統(tǒng)計無序混為一談的方法（如Voronoi tessellation和擾動方法）有所區(qū)別。

"這種方法為我們提供了一種強(qiáng)大的工具，用于描述和設(shè)計具有定制無序程度的材料，"Moini說。"使用先進(jìn)的制造方法（如增材制造）可以進(jìn)一步促進(jìn)更無序和機(jī)械性能更佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并允許將這些管狀設(shè)計擴(kuò)大到民用基礎(chǔ)設(shè)施的混凝土構(gòu)件中"。

研究團(tuán)隊最近還開發(fā)出了利用機(jī)器人技術(shù)和增材制造技術(shù)實現(xiàn)高精度的技術(shù)。通過將這些技術(shù)應(yīng)用于新的結(jié)構(gòu)以及管內(nèi)軟硬材料的組合，他們希望進(jìn)一步擴(kuò)大建筑材料的應(yīng)用范圍。

"我們才剛剛開始探索各種可能性，"古普塔說。"還有許多變量需要研究，比如將無序程度應(yīng)用于材料中管子的大小、形狀和方向。這些原理可以應(yīng)用于其他脆性材料，從而設(shè)計出更抗破壞的結(jié)構(gòu)。"