厉害了我的层状材料，原来你是这样变形的！

材料牛注：材料弯曲和断裂是很简单的两种形变行为，人们通常用位错理论解释内在的机理。但是德雷塞尔大学的研究人员最近发现，位错理论无法解释层状材料变形时产生内扣和涟漪的原因，他们提出了全新的“ripplocation”机理同时指出位错理论的不足。你能相信吗？详情请走进本文。

每种材料都可以弯曲和断裂。经过近一个世纪的研究，科学家们对于形变的方式和机理已经有了很好的认知。然而德雷塞尔大学材料科学与工程系的研究人员最近有了全新发现：我们对于层状材料在应力作用下产生的屈服现象认知不足，研究表明，所有的层状材料（从沉积岩到薄层石墨晶须）变形时会形成一系列内扣（internal buckles）或者涟漪（ripples）。德雷塞尔大学工程学院Barsoum博士等人的研究成果发表在 Scientific Reports杂志上。

Tucker 说：“在位错理论中，微观结构的畸变缺陷称之为位错，该理论已十分完善而且在帮助我们理解金属变形方面是相当成功的。但是它从来没有真正准确地解释在大多数层状材料中观测到的内扣和涟漪的成因。”

Barsoum在研究层状材料如最大相位、云母和石墨时发现其中存在的内扣和涟漪。2015年初，麻省理工的一个研究小组发表了一篇产生了广泛影响文章。文中提出了一种新的变形机理很好的描述了在层状材料表面发生的原子级涟漪。Barsoum认识到这个缺陷并把它命名为“ripplocation”。

Barsoum说：“麻省理工的工作表明虽然位错理论和ripplocations的运动结果是相同的，即一个原子层相对另一个原子层的移动。但在物理学上它们明显不同，从根本上说它们是完全不同的个体。”
根据位错理论，当在层状固体材料边缘加载负荷然后卸载负荷，如果是弹性材料，它们会反弹变形回到初始形态，否则会永久变形。

Ripplocation理论提供了第三个解释，那就是材料返回到初始状态但是消耗了相当多的能量。大约十年前Barsoum把产生的内扣和涟漪理解为“非线性弹性扭结”，因为它涉及到纽带的形成即层间的永久带扣。直到ripplocation理论提出时，一直致力于用位错理论解释非线性弹性扭结的Barsoum博士才恍然大悟。

认识到了这个新的模式，Barsoum团队开始着手去证明ripplocation的存在。他们不仅在麻省理工文章中提到的二维材料表层研究ripplocation，而且也在“块状”层状材料较厚内层研究ripplocation。通过计算机建模并仔细测试石墨原子层的压缩边，研究人员发现形变的确和原子级涟漪作用效果一致。

文章第一作者，工程学院博士Jacob Gruber说: “我们在块状石墨上进行原子模拟，因为它本身是层状材料而且相关的研究和负载状态下应用它十分广泛。通过约束样品的边缘同时压缩材料，我们观察到大量可自组装形成扭结边界的ripplocations成核和运动。这一结果具有重要意义：这些类型的扭结带在地质形成和层状固体畸变中普遍存在。

Tucker认为，材料的这种限制是ripplocation存在的关键，同时无论是在发电厂还是在板块构造中，这也是材料受压时自然而然出现这种行为的关键。他说，非线性弹性扭结有趣之处在于它是一种功能强大的约束。以一副牌为例，当你用铅笔平行去推牌堆而不限制它们移动，这副牌通常会分成两堆；然而当你垂直施压到这副牌而且限制它们移动，铅笔笔尖将会在这副牌表层留下一个压痕印记。

为了更好研究材料的这种行为，研究员们研究了被称为MAX相的层状陶瓷，通过在陶瓷层间装球形硬度压头进行测试。

Taheri说：“我们得到由于变形而产生缺陷的高分辨率透射电子显微镜（TEM）图像，我们不仅证明了它们不是位错型的，更重要的是，它们和ripplocations理论的预测成像结果一致。我们已经有了新型固体缺陷的证据，换句话说我们对畸变的微观结构认识加深了一倍。”

Barsoum认为，ripplocation和它在层状固体变形中的作用是一个重要的科学发现，因为它适用于大多数层状材料，很可能也适用于地质构造。自然界和建筑环境中很多的层状固体在技术上十分重要，所以必须要了解它们的行为。这一新发现要求我们重新审视过去用位错理论错误解释的数据结果，并重新诠释它们。

Barsoum打算继续完成他开创性的MAX相（一种层状陶瓷）论文，同时通过ripplocation理论的视角去测试新材料。

原文链接：Breakthrough in our understanding of how things deform。

文献链接：Evidence for Bulk Ripplocations in Layered Solids。

本文由编辑部杨浩提供素材，张雨翻译，李卓审核，点我加入材料人编辑部。