提起缺陷，很多材料行業(yè)的人都深惡痛絕，很多材料就是因?yàn)槿毕莸拇嬖冢瑢?dǎo)致實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)弱于理論強(qiáng)度。但是，最近萊斯大學(xué)的科研人員們發(fā)現(xiàn)，缺陷并不是人們直覺以為那樣，都是對(duì)材料有害的，他們發(fā)現(xiàn)利用缺陷這種材料的弱點(diǎn)反而可以加強(qiáng)材料！

    螺型位錯(cuò)打亂了雪硅鈣石（天然形成、類似于水泥的成分水化硅酸鈣的結(jié)晶質(zhì)）中的原子排布。萊斯大學(xué)的科學(xué)家們通過雪硅鈣石的模擬來研究位錯(cuò)如何緩解材料所受壓力。

    混凝土并不是塑料，但小尺度的塑性可以提高混凝土的性能，尤其是當(dāng)這種全世界最常用的材料在硬化后需要持續(xù)受壓，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年甚至百年。現(xiàn)在萊斯大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)很接近事實(shí)的真相了。萊斯大學(xué)的材料學(xué)家Shahsavari對(duì)雪硅鈣石（天然形成類似于水化硅酸鈣的結(jié)晶質(zhì)）進(jìn)行原子尺度的計(jì)算分析。他們希望通過研究雪硅鈣石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來提高混凝土的強(qiáng)度、硬度以及壓力下的變形能力。

    雪硅鈣石是古羅馬人所用混凝土的關(guān)鍵成分，它會(huì)形成層狀結(jié)構(gòu)像折疊紙堆將顆粒固化在一起。這些顆粒中所含有螺位錯(cuò)和剪切缺陷會(huì)通過層之間的滑動(dòng)來降低材料所受壓力。它們會(huì)讓層交替滑動(dòng)很小的距離，這樣就不會(huì)讓交錯(cuò)的缺陷將層狀結(jié)構(gòu)固定住。

    研究者們構(gòu)建了第一個(gè)包含平行或垂直于層結(jié)構(gòu)位錯(cuò)的雪硅鈣石“超晶胞”模型，并將其應(yīng)用到分析剪切力上。他們發(fā)現(xiàn)無缺陷的雪硅鈣石由于層結(jié)構(gòu)間的水分子有助于層結(jié)構(gòu)的移動(dòng)從而更容易發(fā)生變形。然而對(duì)于存在螺型缺陷的顆粒，層結(jié)構(gòu)只能滑移至它們被齒狀位錯(cuò)固定住之前位置。它們可以交替著向下一層滑移，這樣就可以在不產(chǎn)生裂紋的同時(shí)釋放壓力。這種顆粒核心周圍的“步進(jìn)式缺陷引導(dǎo)滑移”機(jī)制可以讓材料延展性更佳且可以自己調(diào)整適應(yīng)壓力。

    “通過這項(xiàng)研究我們發(fā)現(xiàn)，不像通常直覺以為的那樣，缺陷就是對(duì)材料有害。對(duì)于像雪硅鈣石這樣的復(fù)雜的層狀晶體結(jié)構(gòu)，它就不是這樣。” Shahsavari這樣給我們說道。“并且，缺陷可以使位錯(cuò)沿著確定方向慢慢滑動(dòng)，這樣就可以提高材料的屈服壓力以及硬度。”

    “同時(shí)要求高強(qiáng)度與高硬度，尤其后者對(duì)于設(shè)計(jì)混凝土材料至關(guān)重要，并且這兩個(gè)工程指標(biāo)是好幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域急缺的。我們的研究帶給大家的第一個(gè)報(bào)告就是如何利用貌似弱點(diǎn)的缺陷來達(dá)到渴求已久的性能——高強(qiáng)度與高硬度。”

    Shahsavari說希望他的研究可以為提高混凝土等材料的強(qiáng)度、硬度提供設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。