对不稳定性的洞察
霍姆斯的澳门威尼斯人注册网站研究着眼于软材料是如何弯曲、折断和卡住的
莉兹·希利著
即使对物质在许多不同情况下的行为有了深刻的科学理解，科学家们仍在学习新的或更不寻常的结构、材料和系统类型是如何对人们知之甚少的力作出反应的，这些结构、材料和系统正变得越来越普遍。软物质，从凝胶到液体再到聚合物，都属于这一类物质，它们的行为方式微妙，目前还没有完全定义。在最近发表在《物理评论快报》上的两篇论文中，助理教授Douglas Holmes （ME， MSE）概述了两个不同的概念，这些概念推动了我们对软物质在生长等不稳定条件下的行为的理解。
福尔摩斯花时间澳门威尼斯人注册网站研究薄结构的物理、几何和力学行为。随着超薄、超强材料的发明，工程师们已经开始用它们来制造汽车加速度计或微机电系统（MEMS）领域的芯片实验室等物体。但是，当一种被称为自然曲率的非机械力使薄壳弯曲时，问题就出现了，这比工程师基于一个世纪以来的压力弯曲模型所预测的要早得多。
当物体增长或膨胀时，就会产生自然曲率。有一种细菌是由内而外生长的，所以当它成熟时，它必须完全颠倒过来。细菌通过自然弯曲来做到这一点。如果一个薄的弯曲壳经历自然弯曲，它会比科学家预测的更早弯曲。这是因为尽管压力和自然曲率在产生不稳定性方面的行为方式相似，但它们并不相同。
霍尔姆斯说：“所有薄结构——壳、板、梁——的问题是，它们在失效之前都非常非常坚固，它们可能会因屈曲而失效，它们可能会以灾难性的方式失效。”“力学中一个长期存在的问题一直是试图预测球壳何时会弯曲。有一个非常经典的澳门威尼斯人注册壳在压力下的预测是在100多年前做出的。但我们发现，壳在自然曲率下的屈曲点虽然与压力屈曲相似，但实际上是非常不同的。”
在他最近的一篇论文中，霍姆斯和他的团队，以及麻省理工学院的一位合作者，澳门威尼斯人注册网站研究了薄壳对膨胀的反应，这就是澳门威尼斯人注册网站研究人员在实验室中模拟生长的方式。霍姆斯在外壳的两侧使用了两种不同的聚合物，他们利用一种他们开发的称为残余膨胀的技术来调节自然曲率的大小。
“粉红色的聚合物和绿色的聚合物非常非常相似，”霍姆斯说。“两者之间唯一的区别是粉色聚合物中含有额外的液体；你可以把它想象成一块湿海绵。绿色的聚合物有点像干海绵，当你把它们粘在一起时，一些液体从湿海绵流向干海绵，直到它们都一样湿。这意味着粉色的那个因为失去了一些物质而变小了，而绿色的那个变大了。”
当壳膨胀时，它会根据壳的内部或外部膨胀而向上或向下弯曲。如果外壳膨胀（绿色聚合物在外壳上），那么外壳会向下弯曲；如果里面肿胀，它就会向上弯曲。这种自发的曲率引起了福尔摩斯的兴趣。
“一种被称为屈曲的不稳定性是机械工程师首先了解的概念之一；屈曲是物体变薄时失效的一种方式，”霍姆斯说。“另一种不稳定性被称为断裂。折断就像在刮风的日子里你的雨伞被翻了出来；屈曲就像你压碎汽水罐一样。”
霍尔姆斯和他的同事们发现了一件令人惊讶的事情，那就是贝壳变得不稳定的方式和时间的不同取决于膨胀是产生向上还是向下的曲率。霍姆斯说，这篇论文表明，如果一个物体正在弯曲，那么该物体的几何形状并不能帮助预测它将弯曲的点。但是，如果一个物体正在发生碰撞，那么这个物体的几何形状就很重要了。这使得科学家们可以根据物体所受的自然弯曲的类型来预测弯曲物体何时会弯曲或折断。
第二篇论文于2018年2月作为封面故事发表在《物理评论快报》上，探讨了一个不同的概念。霍姆斯和他的实验室澳门威尼斯人注册网站研究了当一根细长的杆被推入颗粒状材料时所发生的事情背后的力学。为了澳门威尼斯人注册网站研究这一点，他们做了一个盒子，在里面放了不同数量的小珠子，然后观察当他们插入一根杆子时发生了什么。
在实验室之外想想这个概念，棒子可以代表树根，颗粒材料可以是土壤。当根生长时，它会在土壤中穿行，但如果遇到阻力，它会改变方向。福尔摩斯澳门威尼斯人注册网站研究的是，根在什么点上“胜出”并穿过土壤生长，而在另一边，土壤在什么点上“胜出”并使根重新定向。
根据盒子里有多少颗粒，实验详细说明了颗粒何时表现为气体、液体或固体。结果是双重的：澳门威尼斯人注册网站研究小组可以确定光束在开始感受到颗粒的压力之前可以被推入特定密度的颗粒材料的距离；他们还表明，光束和颗粒相互影响。
霍姆斯说，在力学中，有一个叫做发散长度尺度的概念，它可以测量一个系统在某个时间点上的堵塞程度。对于光束来说，这意味着测量光束按照颗粒的意愿弯曲时形成的两个凸起的距离有多近；对于颗粒来说，这意味着测量它们能移动多少。如果盒子里没有任何颗粒来推动光束，它就会形成一条曲线，所以物体在整个长度上弯曲的幅度是一样的。但当颗粒形成障碍物时，光束弯曲并形成两个较小的凸起。
“为了测量光束的受限程度，你需要测量两个凸起之间的光束长度，”Holmes说。“然后我们可以计算出波束被干扰的速率，或者它的发散长度尺度。如果我们只是粗略地测量当我们插入光束时有多少颗粒移动，那么移动的颗粒数量会以与光束堵塞相同的速度下降，我们不知道为什么。”
即使在最简单的盒子里的梁和珠的弹性颗粒系统中，一切都是耦合的。光束的行为完全取决于粒子，无论是它们的方向，它们的顺序，它们有多堵塞或不堵塞；颗粒所做的一切都取决于弹性梁的硬度，以及它能弯曲和移动的地方。
这一概念也适用于智能针头。这些发现详细说明了针头能做什么或如何移动，取决于它被插入的组织。“这个物体可以很好地感知周围的环境，”霍姆斯说。“理论上，你可以用它来让物体感知阻力，并产生反馈，告诉物体从更硬的区域弯曲。”
“第二篇论文几乎与第一篇相反，”霍姆斯说。“第一个问题提供了一个非常完整的问题故事，但第二个问题带来的问题比我们已经回答的要多得多。”但总之，这些论文为薄结构的力学提供了新的视角和理解，以扩展科学知识并推动对话向前发展。