根據哲學家弗里德里希·尼采所說：那些殺不死你的，終將讓你變得更強大！誰會想到類似的概念可能也適用於材料？挪威科技大學(NTNU)和奧斯陸大學(UIO)卓越研究中心PoreLab的負責人亞歷克斯·漢森(Alex Hansen)教授說：混凝土如此堅固的原因是因為它太弱了。PoreLab的研究人員主要使用混凝土等多孔材料，在他們的世界中，這種事情可能會發生。此外，研究人員還考慮了材料在承受壓力時會發生什麼，其中一些發現有些出人意料。
例如，為什麼具體會以這種方式發揮作用？混凝土看起來很緊湊，但實際上充滿了小孔，這些孔使材料更堅固。從基礎知識開始：當你的汽車擋風玻璃出現裂縫時，可以通過在上面鑽一個洞來阻止裂縫的擴散。未經處理的裂紋在裂紋尖端具有高度集中的力。如果在這一點上鑽一個洞，力反而會擴散到孔周圍，並減輕玻璃上的壓力。
在多孔混凝土中也會發生類似情況，如果混凝土中有裂縫，由於所有的孔，力就會分布在整個材料中，至少自中世紀以來，人們就已經知道這些力機制。17世紀特隆赫姆Kristiansten堡壘的建造者將動物身體的遺骸放入材料中。當動物腐爛並釋放氣體時，它們使材料多孔，從而變得更堅固。
但這並不能解釋為什麼材料在壓力下會變得更強。這個想法與直覺背道而馳，材料不是應該變得更弱嗎？到底怎麼回事？來自台灣師範大學物理系的博士生Jonas Tgersen Kjellstadli可以解釋這個過程。Kjellstadli與漢森、研究員Srutarshi Pradhan和博士生Eivind Bering合作研究這一現象。Kjellstadli說：材料的「強項」部分包圍「弱項」部分並保護它們。
像混凝土這樣的材料並不是在所有地方都同樣堅固，儘管它看起來可能很像。表面均勻的材料有弱區和強區，這些區域在整個區域中隨機分布。在Kjellstadli使用的計算機模型中，強區域分布在材料中，當纖維受到壓力時，它們保護薄弱區域。這發生在如此強烈的程度，使材料穩定，變得不那麼容易受到這樣的應力。此效果僅適用於強區域和弱區域在整個材質中分布不均勻的情況。而且它只適用於某個閾值，材料不斷地被應力達到某一最大閾值或另一閾值，在那裡應力的力不能再被吸收。
遲早，這種材料會突然發生災難性的失效。研究人員還設想了可能的應用，如果可以使用這些基本知識來預測材料何時失效，會發生什麼情況？什麼時候壓力才會變得太大？研究使用的計算機模型與觀察到材料被應力載荷加強的計算機模型相同。在此基礎上，增加了一些實際的實驗，直到應力負荷對材料來說變得太大。漢森自2000年以來一直對這個話題感興趣，當時他聽說南非的礦井會突然坍塌。了解這些相同的原理，有朝一日可以在隧道施工過程中作為輔助，或預測地震。
這些想法仍然是推測性，應用還有待於一些遙遠的未來，但研究人員的雄心壯志很高。正在努力想出一個通用的模型，以備災難性故障發生時使用。這個目標是否可行，還不知道，但這正是PoreLab負責開展的那種高風險研究，如果他們成功了，潛在的收益是巨大的。在計算機模型中，觀察到材料的彈性能量在失效前達到峰值，自從2000年開始在印度加爾各答薩哈核物理研究所的Bikas K.Chakrabarti教授的指導下學習以來，他一直致力於預測材料何時會破裂的研究，相信這有潛力擴展到實際情況中。
博科園｜研究/來自：挪威科技大學參考期刊《物理學前沿》DOI: 10.3389/fphy.2019.00105博科園｜科學、科技、科研、科普關注【博科園】看更多大美宇宙科學
文章來源: https://twgreatdaily.com/sVi7unIBiuFnsJQVGu0y.html