預測材料何時會開裂

物理學家結合兩種技術得到了足以預測材料因壓力過大而失效的警示信號。

我們用像橡膠、塑料和硅樹脂這樣的軟彈性體制作成千上萬的產品，比如墊片、軟管和充氣筏，但在壓力作用下，這些材料往往會在沒有任何警告的情況下突然開裂。現在，研究人員運用一種改進方法對壓力作用下樣品的結構變化進行成像，結果表明在最終失效前幾分鐘，材料表面會出現一種微妙的分子運動模式。他們相信，在進一步發展之后，這項技術可以幫助工程師監測材料的使用過程，并在材料失效前檢測到異常模式并及時發出預警。另外，這些研究人員還證明，他們發現的這個方法同樣適用于一些更脆的聚合物材料。

在研究材料的機械故障時，研究人員常常會取一薄片材料并在上面切出一個小切口，然后緩慢施加壓力直至將切口拉開。最終，切口會演變成裂縫并迅速擴大。巴黎科學藝術人文大學的材料科學家科斯坦蒂諾 · 克雷頓（Costantino Creton）說，在過去的幾年里，這樣的實驗已經產生了兩個適用于彈性體的一般性發現。第一，通過將發光的力敏感分子嵌入到測試材料中，研究人員已經證明，在裂紋出現之前，不可逆的分子鍵損傷會在非常接近初始缺口（相距0.1毫米以內）的地方累積。第二，其他研究使用高靈敏光譜技術后發現，就在材料出現機械故障之前，更大區域會出現聚合物分子的異常微重排跡象。

克雷頓說，即便如此，研究人員仍舊沒能全面認識彈性體失效現象背后的原理，也不知道為什么可以借助上述變化預測彈性體即將失效。他還表示，由于裂紋的出現通常沒有任何外在警示標志，許多制造商為了安全起見把各個部件都造得比實際需要的更重、更結實。“因此，如果我們能預測材料何時會發生災難性故障，就可以大大降低目前在制造多用途軟性材料時需要預留的安全裕度。”

為了進一步研究材料失效機制，克雷頓和他的同事們決定將上述兩種技術結合起來，也就是聯合使用發光分子與先進成像方法。他們將所謂的力敏基團分子嵌入到2毫米厚的聚二甲基硅氧烷（PDMS，一種硅基材料）樣品中。用激光照射樣品后，如果壓力導致樣品化學鍵遭受不可逆破壞，這些力敏基團就會發光。還是在樣品上切出一個小切口，然后慢慢拉伸樣品薄片，研究人員就可以看到在不斷增加的壓力下，樣品出現了局部損傷。

尤其值得一提的是，他們測量了拉伸樣品到最終出現裂紋時——基本上就是把樣品拉伸到超出原始尺寸15%時——受損化學鍵發出的光是如何增加的。結果顯示，在切口周圍大約0.1mm×0.1mm的區域內，斷裂化學鍵的數量逐漸增加。另外，就在材料失效之前，這片區域的化學鍵斷裂速度明顯加快。

研究人員還利用從樣品表面反射回來的激光尋找在毫秒時間尺度上發生的聚合物分子納米級重排現象。克雷頓說，這項技術需要用到一種相當不透明的材料，這樣光線才能在穿透表面幾毫米后就反射回來。研究人員借助這項技術證明，在逐漸拉伸材料樣本的過程中，除了靠近切口的分子會受到破壞之外，附近（最遠可達距切口1厘米處）沒有損壞的分子也會發生移動。

克雷頓說，實際上，如果我們能檢測到材料在分子尺度上發生的這些變化，那就可能發出預警，警示材料即將破裂。“在材料最終破裂前7分鐘左右，我們就能觀察到這些變化，顯然足以用于預警。”克雷頓設想，在工業環境中，可以對零部件作壓力測試并監測是否出現破裂前兆，以確定目標零部件是否需要更換。

這個團隊還成功檢測到了其他軟質材料和脆質材料的破裂前兆。然而，到目前為止，他們的技術還只適用于幾乎不透明的材料。當然，他們已經在思索如何將這種方法推廣到更廣泛的材料上。

資料來源 Physics

本文作者馬克 · 布坎南（Mark Buchanan）是一名自由科學作家，經常往返于英國阿伯加文尼和法國庫爾松圣母村之間