2008年11月21日
的海军研究实验室是一个国际科学家团队的一员，该团队正在更多地了解脆性材料中裂纹的形成。亚博网站下载该团队使用计算机建模和实验来研究裂纹是如何在硅中低速生长的。这些信息在从装甲到机械零件的各种材料的开发中具有潜在的应用价值。亚博网站下载该研究小组在10月30日的《自然》杂志上发表了他们的发现。
通过计算机模拟，科学家们开始研究脆性材料发生裂纹时原子的运动。亚博网站下载当裂纹高速增长时发生的不稳定性是众所周知的，科学家已经在理解这些类型裂纹的起源方面取得了重大进展。然而，在低速生长的裂纹中还没有观察到和研究过不稳定性。
直到最近，科学家们主要通过连续介质力学技术来研究裂纹，但现在计算机能力的进步使模拟材料成为可能，通过描述每个原子的运动，而不是近似地认为物质是连续的。亚博网站下载虽然大多数裂纹模拟都忽略了原子间键合的量子力学性质，但研究团队使用一种名为“动态学习”(LOTF)的技术克服了这一限制。这种方法允许他们在需要的地方使用量子力学方法来描述裂纹尖端附近的键合，并将其与一个大的(原子尺度上的)区域结合起来，这个区域用一种更快的但非量子力学方法来描述。这种组合描述对于正确预测裂纹尖端的运动至关重要。
模拟结果显示，即使在像硅这样的脆性材料中，通常与金属这样的延展性材料相关的原子重排也会发生，但它们仍然被困在裂纹尖端附近。亚博网站下载该团队开发了一个模型，展示了裂纹尖端的这些重排如何导致裂纹路径的宏观变化，在裂纹表面留下山脊。
研究小组还进行了单晶断裂实验，首次在低速范围内观察到这种不稳定性。他们使用一种新技术对低速下的裂纹进行了实验研究，这种新技术可以施加非常小但稳定且控制良好的拉伸载荷。裂缝留下的表面显示出脊状特征，与计算机模型中看到的非常相似。在不同的裂纹取向下，实验和模拟显示了性质上的不同行为。
在实验中，裂纹永远不能沿直线扩展——它会立即向不同的方向偏转。模拟结果表明，裂纹尖端的结构是造成这种挠度的主要原因。在极低的速度下，裂纹通过有序地断开直接在其前面的键而扩展。然而，很快，裂纹加速，并开始打破不同晶面上的键，导致它偏离最初的方向。对于这两种不稳定性，模拟结果和实验观察表明，脆性材料的裂纹尖端发生的不稳定性比之前猜测的要多。亚博网站下载
初步结果表明，这些过程也发生在其他材料，如金刚石和碳化硅。亚博网站下载NRL的诺姆·伯恩斯坦博士解释说:“我们发现，即使在表面简单的脆性材料中，在裂纹尖端也会发生复杂的事情，而这亚博网站下载些原子尺度的特征可能具有宏观含义。”“我们希望能够利用这种复杂性来影响裂缝的增长方式，设计出更坚韧、更坚固的材料。”亚博网站下载
该团队包括来自英国剑桥大学卡文迪许实验室的凝聚态物质理论组的研究人员;Université de Lyon，法国;以色列理工学院材料工程系，以亚博网站下载色列海法;国家物理实验室计算材料科学中心;亚博网站下载亚博老虎机网登录德国卡尔斯鲁厄学院für Zuverlässigkeit von Bauteilen and Systemen;德国Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik;剑桥大学工程实验室;伦敦国王学院物理系，伦敦;INFM-DEMOCRITOS国家模拟中心和纳米结构材料卓越中心，里雅斯特大学，意大利。亚博网站下载