一項突破性理論揭示了軟性材料斷裂背後的物理機制。這項革命性發現有望開發出無缺陷材料，增強材料的抗性和耐久性，促進環境的可持續發展，在各行各業產生廣泛的效益，並對環境產生積極的影響。這項研究最近發表在《物理評論快報》上。

一項最新研究揭示了軟質材料中的裂縫是如何開始和擴展的，為創造更耐用、無缺陷、具有重大環境效益的材料鋪平了道路，這項研究由米蘭理工大學領導的國際研究小組率先進行。來源：米蘭理工大學

最初在無缺陷的軟彈性固體中，脆性裂紋的成核先於非線性彈性不穩定性，如果不考慮有限彈性變形的幾何精確描述，就無法捕捉到這種不穩定性。作為問題的原型，研究人員考慮了一個受拉伸的均質彈性體，並假設它因自由表面的存在而被削弱，而自由表面則是裂紋成核的位置。研究表明，在這種最大程度簡化的情況下，脆性斷裂產生於軟化活化的對稱性破壞彈性不穩定性，並涉及大的彈性旋轉。均質彈性平衡的隱含分岔對於非線性彈性來說是非常不尋常的，因為它表現出對幾何形狀的強烈敏感性，讓人聯想到流體中向湍流的過渡。我們追溯了這種不穩定性超越無尺度連續彈性適用極限的分岔後發展，並使用相場方法捕捉與尺度相關的亞連續應變局部化，這預示著實際裂縫的形成。

「我們發現，斷裂從材料的自由表面開始傳播，從打破物體對稱性的彈性不穩定性開始。然後，斷裂急劇擴展，形成錯綜複雜的裂縫網絡，就像我們在流體中觀察到的湍流現像一樣，如渦旋形成過程中的湍流現象，”米蘭理工大學數學系MOX 實驗室的Pasquale Ciarletta 解釋。

這項發現促進了其在各個技術領域的重要應用。例如，在微米和奈米設備的生產中，材料需要具有極高的耐受性和無缺陷性。了解裂痕是如何形成的，就能設計出更堅固耐用的材質。在消費性電子產品領域，這可能會促使智慧型手機、平板電腦和筆記型電腦等設備的螢幕能夠更好地承受衝擊和跌落，從而減少維修和更換的頻率。在醫療領域，心臟節律器和義肢等植入式設備可受益於更安全、更持久的材料，從而大大改善患者的健康狀況。

在航空航太工業中，了解和預防材料斷裂可以使結構更加堅固可靠，並降低與太空和航空旅行相關的風險。

“這項研究的成果不僅為今後旨在開發具有前所未有的機械性能的材料的研究鋪平了道路，而且還通過減少頻繁更換產品的需要和減少浪費對環境產生了積極影響。”米蘭理工大學數學系的Davide Riccobelli 總結。

DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.248202

編譯自/ ScitechDaily