新参数有助于阐明软材料在压力下如何失效

Josiah01 · 发表于 2024-7-19 16:44:55

　　了解软材料在压力下如何失效对于解决制药技术和滑坡防治等截然不同的工程挑战至关重要。一项新研究将一系列软材料行为联系起来——此前人们认为这些行为毫无关联——研究人员发现了一个新参数，他们称之为脆性因子，这使得他们能够简化软材料的失效行为。这最终将帮助工程师设计出更好的材料来应对未来的挑战。
　　该项研究成果发表于《美国国家科学院院刊》。
　　伊利诺伊大学香槟分校化学和生物分子工程学教授 Simon Rogers 和研究生 Krutarth Kamani 专门研究软材料如何屈服于压力，并展示了固体和液体物理状态如何在同一材料中共存。该领域因其对工业、环境和生物医学应用的重要性而备受关注。
　　在此过程中，研究小组发现，从事该领域的科学家之间存在沟通障碍，导致对软材料行为的理论理解与实际应用之间出现瓶颈。
　　当软材料（无论是天然的还是合成的）在压力下变形时，它们最终会达到一个临界点，在这个临界点上，它们要么恢复到原来的形状，要么发生永久变形，比如拉伸或断裂一块弹性材料。这个过程被称为屈服。研究人员表示，逐渐屈服的转变被称为延性行为，而突然的屈服转变被称为脆性行为。
　　“在最近的一次会议上，我们意识到，来自欧洲和北美各地研究软材料的所有人都无法就脆性行为和延性行为之间的联系以及如何定义它达成一致。”
　　在这项研究中，罗杰斯的团队没有将软材料的行为视为脆性或延性，而是考虑了一系列的屈服行为。这使得团队能够建立一个连续模型，从而发现脆性因素。这一因素对于确定软材料失效的方式和原因至关重要。
　　从本质上讲，脆性会影响材料在压力下永久变形的方式。该团队的模型表明，脆性系数越高，软材料在屈服前的永久变形就越小。
　　与该团队过去的研究一样，该模型是使用大量实验的数据进行开发和测试的，这些实验对各种软材料施加压力，同时使用一种称为流变仪的设备测量单个应变响应。
　　“我们没想到这项研究能解释这么多，”罗杰斯说，他也是伊利诺伊大学贝克曼高级科学技术研究所的一名研究员。“我们最终找到了一种方法，将一大堆软材料行为归入同一个物理范畴。以前，人们对它们进行了独立研究，或者可能同时应用了它们，但从未想过它们在物理或数学上存在联系。”
　　这一发现将使研究人员能够准确地解释为什么某些材料比其他材料更耐快速屈服，这个问题几十年来一直困扰着研究人员。
　　卡马尼说：“令人惊讶的是，这一单一参数将研究人员多年来发现的许多令人费解的观察结果联系在一起。”
　　罗杰斯说：“这项研究标志着我们在理解软材料行为方面已接近顶峰。我们一直觉得每一步都会让我们走得更高，但看不到尽头。现在我们可以看到山顶，我们离山顶更近了，可以自由地朝我们想要的任何方向前进。”

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