一、【导读】
增强抗断裂性能的策略包括裂纹尖端前方的内在增韧和裂纹尖端后方的外在增韧。外在的裂纹尖端屏蔽机制可以阻碍裂纹扩展，但对裂纹萌生没有影响。相比之下，内在增韧尤为重要，它能够同时提升抗裂纹萌生和抗裂纹扩展的能力。内在增韧通常与非弹性区，即耗散性变形机制发挥作用并延迟断裂的区域的形成有关。例如，在金属等延性材料中，这一机制主要与材料塑性相关。然而，在大多数结构材料中，非弹性变形仍高度局限于裂纹尖端附近，非弹性区的扩展往往有限。将样品尺寸减小至临界长度尺度以下，可以诱发小尺度材料的脆韧转变。尽管如此，具有足够大尺寸的材料始终会遵循线弹性断裂力学主导的脆性断裂方式，此时小范围屈服条件依然成立。因此，如何在任意给定尺寸的材料中扩大非弹性区仍然是一个挑战。除断裂外，失稳是另一种不同的结构失效机制。尽管传统上失稳被视为一种需要避免的现象，但近来它已被用于设计具有定制功能的构筑材料，例如形状重构、快速驱动、力学可编程性以及可重复利用的能量吸收。尽管取得了这些进展，利用失稳来控制断裂行为的潜力仍未得到探索。
二、【成果掠影】
在此，清华大学高华健院士和李晓雁教授（共同通讯作者）等人展示了力学超材料中的断裂行为可以通过利用弹性失稳进行主动编程，从而将这两种传统上互不关联的失效模式联系起来。通过实验与模拟相结合，表明对假塑性超材料中非弹性区尺寸的受控操纵能够实现从内在断裂行为向外在断裂行为的转变，同时伴随断裂能高达一个数量级的提升。本文代表了从断裂力学的被动观察向主动控制的转变，为设计具有定制抗断裂性能的超材料建立了新的框架，这一发现不仅增进了对超材料中失稳-断裂相互作用的基础理解，同时也为通过失稳设计来编程断裂行为提供了一条具有广泛适用性的途径。
相关研究成果以“Programming fracture resistance in metamaterials via elastic instabilities”为题发表在Nature上。
三、【核心创新点】
1.利用弹性失稳来调控力学超材料中的非弹性区尺寸， 从而将先前互不关联的失稳和断裂这两种失效机制联系起来；
2.本文的研究展示了一种力学材料学方法，通过内在机制主动操控断裂行为，并利用弹性失稳来放大力学超材料中的结构非弹性。
四、【数据概览】
图1 设计概念© 2026 Springer Nature
图2 具有内在断裂韧性的超材料的断裂行为© 2026 Springer Nature
图3 具有外在断裂韧度的超材料的断裂行为© 2026 Springer Nature
图4 断裂韧性从本征到外在的转变及理论分析© 2026 Springer Nature
五、【成果启示】
总的来看，本文已经证明力学超材料能够将两种传统上互不关联的失效机制，断裂与失稳联系起来。通过主动利用突跳失稳，调控了假塑性超材料中的非弹性区并使其离域化，实现了断裂行为从内在机制向外在机制的转变，并使断裂能提升了一个数量级。发现表明，通过弹性失稳放大的结构非弹性，是编程构筑材料断裂韧性的一种强大设计原则。由于该底层机制不依赖于特定的尺度或架构，这一概念具有广泛的适用性，可推广至各类突跳型超材料体系。除展示断裂-失稳相互作用的一种具体表现形式外，工作还为探索这两种现象之间更广泛、更动态的相互作用奠定了基础，在断裂力学与力学超材料的交叉领域开辟了新方向。
文献链接：“Programming fracture resistance in metamaterials via elastic instabilities”（Nature，2026，10.1038/s41586-026-10804-0）
本文由材料人CYM编译供稿。
