一旦能量释放率超过临界阈值（断裂韧性），通常材料会经历快速而连续的动态脆性断裂。而这一脆性断裂会对材料服役性能与寿命产生灾难性的影响，因此研究如何在材料中抑制脆性断裂的发生具有重要的理论意义与应用价值。
在纯剪切（I型）加载下，区别于一些脆性软材料（如聚丙烯酰胺水凝胶）出现的典型的脆性断裂行为，北海道大学龚剑萍教授课题组在双网络水凝胶这一经典的强韧软材料体系中观察到了一种独特的滞-滑（stick-slip）裂纹扩展动力学行为（图1）。这一独特的裂纹扩展动态由滞-滑两种状态交替组成，在stick状态下裂纹几乎不扩展，在slip状态下裂纹迅速扩展。滞-滑裂纹扩展动态与裂纹尖端损伤(屈服)区域的振荡同步发生。通过高速偏振相机观察到slip是发生在裂纹尖端损伤区域的脆性断裂，其时间尺度非常短（仅有2毫秒）， slip过程中的裂纹扩展速度达到2.0 m/s, 接近于双网络水凝胶的剪切波速；而stick的时间尺度对比之下非常长（在2.5秒左右），这一过程伴随着裂纹尖端损伤区域尺寸的增大与其中分子链取向程度的提高。进一步通过实验和定量模型验证，发现动态裂纹的停滞归因于需要额外的能量输入以在裂纹尖端周围形成新的损伤区域，从而抑制连续快速的脆性断裂行为。在这一工作中阐明的动态裂纹停滞的概念模型，为理解裂纹尖端附近的耗散过程如何防止韧性软材料发生快速连续的脆性断裂补充了新的见解。
图1. 在模式-I纯剪切断裂试验中观察到双网络凝胶的滞-滑裂纹扩展动态。
图2. 在高速偏振模式下观察双网络凝胶的滞-滑裂纹扩展动态的retardation图像。
图3. 在模式-I纯剪切断裂试验中观察到的加载速率对滞-滑裂纹扩展动态的影响。
图4.调控预损伤程度对滞-滑裂纹扩展动态的影响：从滞-滑裂纹扩展动态到连续的脆性断裂。
尽管双网络凝胶属于强韧软材料中的一个特定类别，但软材料中裂纹尖端损伤区的概念，以及在该工作中阐明的“动态裂纹的快速扩展与受外部能量输入影响的损伤区受控生长之间的动力学差异会抑制脆性断裂的连续发展”的这一发现或许具有广泛的适用性，或能启发更多研究关注如何在材料中抑制脆性断裂的发生。
该工作近期以“Unique stick–slip crack dynamics of double-network hydrogels under pure-shear loading”为题发表在PNAS上，文章通讯作者为龚剑萍教授，第一作者为北海道大学化学反应创成研究中心博士后郑庸，目前就职于浙江大学高分子系毛峥伟教授团队担任专职研究员。文章共同作者有康奈尔大学Chung-Yuen Hui教授，北海道大学中岛祐副教授，北海道大学博士后田富成博士和北海道大学在读博士生王义茹。
原文链接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2322437121
课题组链接：
https://altair.sci.hokudai.ac.jp/g2/
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