在1921年，一位年轻的英国航空工程师格里菲斯（AlanArnoldGriffith）发现了一种惊人的现象：当材料受到外力作用时，内部微小的裂纹周围会集中应力，一旦达到某个临界点，裂纹就会扩展导致材料断裂。格里菲斯据此推导出了著名的Griffith断裂理论，描绘了断裂发生的临界应力条件，为断裂力学的建立奠定了坚实的基础。在30年后的时光里，等人在表面波的研究中取得了突破。他们通过求和表面波，成功地实现了对断裂动力学的精确计算。令人震惊的是，他们发现裂纹传播速度会受到表面波的限制。当裂纹尖端达到瑞利波速（Rayleighwavespeed,cR）时，能量表达式竟然趋近于无穷大，这意味着在现实中不存在大于瑞利波速的实数解。这个发现如同一颗石子投入湖中，激起了广泛的研究和讨论。
近日，科学家们取得了突破性的研究成果，证实了存在一种名为“超剪切”的特殊裂纹传播速度。这一发现推翻了经典的瑞利波速度理论，让我们对断裂过程的理解焕然一新。
以色列希伯来大学的JayFineberg课题组通过使用脆性水凝胶作为模型材料，在Science杂志上发表了这篇具有重大意义的论文。实验结果表明，超剪切裂纹的存在是真实的，其传播速度可以接近甚至超越音速。与众不同的是，这种超剪切裂纹的动力学行为与经典裂纹理论不同。只有在拉伸比超过一定限度时，它才会被激发。这种非经典的拉伸断裂模式为我们揭示了新的断裂过程，让科学家们对材料的断裂行为有了更为深入的理解。这一发现为我们打开了一扇新的大门，让我们能够重新审视材料的强度和韧性，以及它们在受到超过极限的拉伸力时的行为。未来，这项研究可能对材料科学和工程技术领域产生深远的影响。
"聚丙烯酰胺水凝胶在低拉伸度下展现出胡克弹性定律的线性弹性，然而，当拉伸程度增加时，它表现出了非线性弹性特性。研究人员将此作为模型，在两端施加作用力，发现裂纹以0.68cR的速度开始传播，并且符合动态断裂弹性理论。然而，随着施加在水凝胶上的力不断增大，拉伸程度持续增加，裂纹传播的速度不断加速，最终达到并超过了cR。"
在传统的线弹性理论中，能量集中在裂纹尖端，形成一个圆弧形。然而，当拉伸比达到一定程度时，裂纹的行为会发生显著变化，尖端会呈现出楔形。以裂纹尖端为顶点，空间被分成了扰动区和未扰动区，形成了一个锥形的冲击波，也就是所谓的马赫锥。马赫锥角是冲击波锥形区域的夹角，其大小由波速与渐近速度的比值决定。这种理论在研究超剪切裂纹的动力学行为时非常重要。
"此外，超剪切裂纹会在后方留下扭曲变形的痕迹，通过不规则的马赫锥计算出的裂纹传播速率也会随着时间而振荡。为了精准控制裂纹的传播方向，研究者预先设置了薄弱层，以此来抑制裂纹的振荡和不稳定性的影响，确保裂纹能够沿着直线传播。"
根据动态断裂线弹性理论，裂纹的扩展速度取决于其尖端储存的能量。然而，研究者发现，裂纹的扩展速度实际上取决于尖端前方被拉伸的物质数量。这可能是一种全新的裂纹传播方式，也是“超剪切裂纹”的产生原因。要存在这种裂纹，尖端必须保持高速稳定，以防止分裂、转向、分支或变钝。这一发现将为我们深入理解材料断裂行为提供新的视角，并为未来的材料科学研究开辟新的领域。
"研究者目前还在探索这种裂纹传播机理是否适用于所有材料，以及哪些材料特性会促进裂纹的传播。然而，这一发现代表了我们对材料断裂过程理解的重大转变，正如JayFineberg教授所言，通过证实超剪切裂纹的存在并超越了经典速度极限，我们为研究断裂力学及其应用领域开辟了全新的道路。"
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MengWang,SonglinShi,JayFineberg
Science,2023,381,415-419.DOI:10.1126/
