近日，上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院邵志峰教授和Czajkowsky教授共同指導(dǎo)博士生楊柳等人組成的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)納米材料全新力學(xué)現(xiàn)象，該研究成果以“Anomalous Surface Fatigue in a Nano-Layered Material”為題全文發(fā)表在材料學(xué)領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》(SCI IF=15.4)上。
固體材料經(jīng)歷外力的反復(fù)作用而產(chǎn)生突然斷裂或力學(xué)損傷被稱(chēng)為材料疲勞。它在材料學(xué)領(lǐng)域是一個(gè)普遍現(xiàn)象，也是機(jī)械工程教科書(shū)上的經(jīng)典概念。材料疲勞是決定設(shè)備壽命的重要因素之一。日常生活中，人們都會(huì)有多次折疊，如曲別針，而最終導(dǎo)致其折斷的經(jīng)驗(yàn)。材料疲勞也會(huì)導(dǎo)致包括橋梁的突然倒塌、航行中的飛機(jī)突然解體等重大事故。
在日常所能感知的尺度范圍(稱(chēng)為宏觀尺度)，人們通常稱(chēng)材料疲勞是不可避免的現(xiàn)象。但是我們知道當(dāng)尺度縮小到納米(十億分之一米)時(shí)，很多物理過(guò)程將較之宏觀尺度完全不同。而納米尺度上的材料疲勞是否存在以及其特性是否與宏觀相同鮮有研究。邵志峰、Czajkowsky團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在納米尺度的材料疲勞特性與已知宏觀尺度的表現(xiàn)有很大不同。研究發(fā)現(xiàn)在一定作用力范圍內(nèi)，納米尺度材料表面損傷與宏觀尺度相同，也存在可以使表面立即損傷的屈服力。但是與之前任何觀察結(jié)果不同的是，在高于屈服力的作用力下表面卻完全沒(méi)有損傷。就如在一定的力下可以將玻璃敲碎，但是當(dāng)用更大的力去敲擊時(shí)，玻璃反而完好無(wú)損。這在我們?nèi)粘Ｉ钪惺遣粫?huì)經(jīng)歷到的，僅僅發(fā)生在納米尺度。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，在納米尺度疲勞現(xiàn)象造成的損傷也僅僅是厚度為幾層原子，范圍如此之小的損傷也是在宏觀尺度從未觀測(cè)到的。
該研究表明納米尺度材料的力學(xué)性質(zhì)或現(xiàn)象可能與我們?nèi)粘Ｉ钪兴芨兄皖A(yù)期的完全不同。由于目前的相關(guān)理論均是基于宏觀體系，因此還沒(méi)有現(xiàn)存的理論可以完全適用于解釋該現(xiàn)象，因此研究結(jié)果將有可能進(jìn)一步引導(dǎo)產(chǎn)生適用于納米尺度的新理論。同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，由于材料疲勞是影響設(shè)備(如飛機(jī)等重要機(jī)電設(shè)備)壽命的主要因素，因此該發(fā)現(xiàn)為構(gòu)建永久無(wú)損機(jī)電設(shè)備(至少是納米設(shè)備)提供了可能性。毫無(wú)疑問(wèn)，這樣的微納米機(jī)電裝置將會(huì)具有極其廣泛而重要的應(yīng)用，如手機(jī)、硬盤(pán)以及微型能量采集裝置的傳感與致動(dòng)器等。
