力学 国外前沿(外文,本页为中文精读)

通过弹性失稳编程超材料的断裂行为(高华健团队)

Programming fracture resistance in metamaterials via elastic instabilities

Y. Wang 等(含高华健 Huajian Gao)

论文来源
Nature 页面 ↗ DOI ↗

研究背景

断裂是材料系统的头号威胁,从桥梁到微芯片无所不在。传统思路靠「选更韧的材料」抵抗断裂;这篇 Nature 论文(2026 年 1 月 10 日刊出,南方科技大学与南洋理工大学高华健团队合作)展示了一条全新路线:利用力学超材料中的弹性失稳,主动编程断裂行为。

方法与核心内容

核心机制:在伪塑性(pseudoplastic)超材料中设计特定的几何失稳模式,弹性失稳被用作「断裂开关」——通过几何设计控制非弹性区(inelastic zone)的尺寸与传播路径,实现对裂纹萌生、扩展与止裂的可编程操控。实验与模拟相互印证。

结果与意义

Nature 评述称之为材料科学的深刻转变:从依赖材料的固有属性到利用编程的行为。这项工作把断裂力学与非线性结构力学、超材料设计三个领域焊接在一起,为「抗断裂结构设计」提供了全新的自由度。

我们的观点

高华健团队的工作一贯的特点是把力学问题「几何化」——这篇也不例外。弹性失稳从「要避免的缺陷」变成「可利用的设计自由度」,这个观念转变的含金量超过论文本身的技术细节。对国内力学界的提示:断裂力学 + 超材料 + 非线性失稳是高华健路线的核心交汇,跟踪价值极高。

局限:可编程断裂的验证尺度仍在实验室(厘米级单元);真实工程材料的缺陷分布与多尺度耦合会侵蚀设计的确定性。与 Nat Commun 拓扑断裂(本方向另一篇)连读,可以看到断裂设计的两条互补路线。

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