汽車輪胎、人體組織和蜘蛛網等材料的成分各不相同，但都包含由相互連接的鏈組成的網狀物。關于這些材料的耐久性，一個長期存在的問題是：破壞這些不同的網狀物需要多少能量？據外媒報道，最近，麻省理工學院（MIT）研究人員在期刊《物理評論X（Physical Review X）》上發表的一篇論文為此提供了新的見解。

（圖片來源：麻省理工學院）

麻省理工學院機械工程和土木及環境工程學教授Xuanhe Zhao表示：“這項研究結果揭示了一條簡單的普遍規律，該規律掌控著不同材料和長度比例網狀物的斷裂能。這一發現對于設計新材料、新結構和超材料具有重要意義，有助于創造極其堅韌、柔軟且可拉伸的體系。”

盡管人們已經認識到在此類網狀物設計中抗故障能力的重要性，但迄今為止現有物理模型還未將鏈力學和聯結度有效地聯系起來，以預測整體斷裂性能。這項新研究揭示了一種可以跨長度比例的普遍比例定律，并且有望預測不同網狀物的固有斷裂能。

該論文主要作者之一、研究生Chase Hartquist表示：“這一理論有助于預測通過推進裂縫來破壞這些網狀物需要多少能量。事實證明，通過讓這些鏈更長、更具延展性，或者在斷裂之前抵抗更大的力，人們可以設計出這些材料的更堅固版本。”

為了驗證這些結果，該團隊3D打印了一個巨大的、可拉伸的網狀物，使它們能夠在實踐中演示斷裂性能。研究人員發現，盡管網狀物中存在差異，但它們都遵循了一個簡單而可預測的規則。除了鏈本身的變化之外，通過將鏈連接成更大的環，網狀物也可以變得更堅固。Hartquist表示：“通過調整這些特性，汽車輪胎可以使用更長的時間，組織可以更好地抵抗損傷，蜘蛛網也可以變得更耐用。”

Zhao實驗室的博士后Shu Wang認為，這意味著相同的規則可以應用于描述各種各樣的材料，從而更便于為特定情況設計最佳材料。

這項研究代表了新興“結構材料（architected materials）”領域的進步。在這個領域中，材料本身的結構賦予其獨特的性質。研究人員表示，這一發現揭示了如何通過專注于將結構中的片段設計得更堅固、更可延伸，從而使這些材料更加堅韌。該策略適用于各個領域的材料，可用于提高軟體機器人執行器的耐用性、增強工程組織的韌性，甚至為航空航天技術制造彈性晶格。