新传媒网上次您最喜欢的杯子掉在地上或坐在眼镜上时，您可能太全神贯注而没有注意到破碎物体上出现的复杂裂纹图案。但捕获这种模式的形成是 EPFL 工程学院软界面工程力学实验室 (EMSI) 的 John Kolinski 和他的团队的专长。
他们的目标是了解裂纹如何在脆性固体中传播，这对于开发和测试用于建筑、体育和航空航天工程的安全且具有成本效益的复合材料至关重要。
但分析裂纹形成的传统力学方法假设裂纹是平面的，即它们形成在材料的二维表面上。事实上，简单的平面裂缝只是冰山一角：大多数裂缝(就像玻璃等日常脆性固体中的裂缝一样)会传播到由脊和其他复杂特征组成的三维网络中。
由于材料的不透明性和裂纹形成的速度，实时观察这种复杂性是极其困难的。但现在，借助瑞士军刀和共焦显微镜，科林斯基和他的团队成功做到了这一点，并且他们发现在此过程中裂纹复杂性与材料韧性之间存在正相关关系。
“传统上，驱动裂纹所需的能量被认为是一种材料属性，但我们的工作对几何形状的关键作用产生了独特的见解：即，通过增加裂纹尖端几何特征的复杂性，可以使材料有效地变得更坚韧，因为推进复杂裂纹比简单裂纹需要更多的应变能，”科林斯基说。 “这凸显了当前 3D 裂缝理论中的一个重要差距。”
使用共焦荧光显微镜记录的脆性水凝胶中 3D 裂纹前沿数据的渲染。图片来源：EMSI EPFL CC BY SA
长度和强度之间的基本联系
研究人员的方法涉及创建四种不同水凝胶和弹性体的非常薄的切片。水凝胶透明且易碎，但易于变形和测量而不破碎，可以作为了解玻璃和脆性塑料中裂纹如何形成的代理。弹性体同样是橡胶和硅树脂聚合物等材料的代表。
