破解裂缝之谜 - 美国大学新闻

在研究裂缝之前，东北大学物理学教授阿兰·卡尔玛(Alain Karma)研究了雪花。他被它们的图案所震撼，它们错综复杂的水晶树枝是如何从一个平衡的世界中浮现出来的。

阿兰·卡尔玛，东北大学复杂系统跨学科研究中心主任。照片由Adam Glanzman/东北大学拍摄

在路上的某个地方，他意识到裂缝并没有那么大的不同:它们在开辟道路时也会形成复杂、神秘、美丽的树枝。

起初，业力只是想了解他们的模式，去解开他们运动的秘密。然后，他开始着迷于它们的许多应用。

Karma说，对于初学者来说，了解裂纹是如何形成的可能是开发更持久的手机电池的关键。“你的手机总是没电，”他说。“你必须一直给它充电，对吧?”这是因为手机电池使用传统的石墨电极。”

当我们给设备充电时，锂离子从电池的正极(阴极)流向负极(阳极)。当电池耗尽时，锂向相反的方向移动，从阳极流出。

因此，一个设备的电池寿命取决于该阳极能储存多少锂——而我们电池中的石墨阳极在锂的存储方面相当差。

另一方面，硅制阳极的充电能力大约是普通阳极的10倍。但有一个问题:虽然硅很擅长储存锂，但它在压力下会断裂。

当锂进入硅时，硅的体积膨胀300%，就像干燥的海绵吸水后膨胀一样。然后它又收缩了。这种反复的膨胀和收缩使材料变形，导致阳极开裂。

幸运的是，因果报应有一些线索。他目前正致力于设计不同形状的硅阳极，以开发一种结构，可以承受膨胀而不开裂，从而提高手机电池的充电能力。

今年4月，他获得了美国国家科学基金会(National Science Foundation)的资助，继续研究裂纹运动的基本原理。他解释说，理论上，当裂纹沿着表面移动时，它们应该能够达到音速。然而，在实际操作中，这并没有发生，因为裂纹在加速时变得不稳定，从一边到另一边摇摆。

沿着类似于一张纸的几乎是二维的薄板，它们可以达到最高速度的90%以上。但是在更厚的三维材料中——想象一下，比如说，一大块奶酪——裂缝以更低的速度变得不稳定，主要的裂缝分裂成称为微分支的微小分支。

“这正是我们试图理解的:裂缝是如何在三维空间中形成并变得不稳定的，”Karma说。“我们正试图解开这种微分支不稳定性是如何发生的之谜。”

这项研究有朝一日可能会开发出更强的材料，而这正是他在与东北大学工程学教授桑德拉·谢费尔宾(Sandra Shefelbine)和兰德尔·厄布(Randall Erb)的一项研究中试图开发的东西。他们正在研究一种长期以来令他所在学科的研究人员着迷的材料:骨骼。

Karma解释说，骨头是由相对柔软的胶原纤维和硬晶体组成的复合材料。总的来说，这些物质使它更抗裂。

受到这一自然壮举的启发，Karma和他的同事正在开发和分析一种模拟骨头韧性的合成物质:嵌入软聚合物中的硬铝血小板。

他们的目标是开发一种高强度的工程材料，但Karma说他们的工作也可能有医学意义。他说，随着年龄的增长，散布在胶原蛋白中的晶体常常变得杂乱无章，导致骨质疏松症。

他说:“我们正在获得的这些见解，可能有助于理解骨骼在病理条件下是如何变得脆弱和断裂的。”

总有一天，Karma的研究可能会带来令人难以置信的创新:更好的电池。更严格的材料。对人体衰老有较强的认识。但即使在这些突破之外，他的工作也提醒我们要在不寻常的地方寻找奇迹——注意缝隙中的优雅和潜力。

在因果报应细致的分析和复杂的计算之下，我们发现了一个简单而持久的真理:即使在破碎中，也能发现美。

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