据外媒报道，美国康奈尔大学（Cornell University）领导的合作研究小组开发出新型金属与合金设计方法。该方法引入纳米级的减速带（speed bumps），可以抑制金属材料的基本转变，以控制其变形的方式，从而使此类材料可以承受极端的冲击。

新型金属与合金设计方法（图片来源：康奈尔大学）

该项研究成果相关论文发表在3月5日的《通讯材料》（Communications Materials）期刊，可推动汽车、飞机及装甲等领域的技术开发，使此类交通工具能够更好地承受高速冲击、极端高温及高压。该项目由康奈尔大学工程学院及材料科学系兼Sibley机械与航空航天工程学院的助理教授Mostafa Hassani主导，并与美国陆军研究实验室（Army Research Laboratory，ARL）合作完成。

当金属材料遭受极高速的冲击，例如高速公路上的碰撞以及弹道冲击时，其会立即破裂和失效。造成失效的原因在于脆化现象——该材料在快速变形时失去了延展性，即弯曲而不折断的能力。不过，脆化是一个难以捉摸的过程，如果取用了相同的材料，并慢慢地弯曲它，其会发生变形但是并不会立刻断裂。

金属之所以具有延展性，在于其微小的缺陷或位错，穿过晶粒，直至遭遇障碍物。在快速、极端的拉伸过程中，位错会加速至每秒数千米，并开始与晶格振动（或声子）开始互相作用，从而产生显著的阻力。此时会发生一个根本性的转变，即从所谓的热激活滑移机制转变为弹道传输机制，导致材料出现明显的阻力，并最终导致其脆化。

Hassani教授表示：“金属材料真正拥有的是吸收能量的能力。因此，实现能量吸收的一种机制就是材料的变形或延展性。在此种情况下，我们希望抑制位错的弹道传输，进而防止脆化，让合金即使在极高的变形速率下（如冲击或振动条件下）也能发生变形。为了抑制弹道位错传输及其引起的声子拖曳效应，我们采用了将位错运动、滑移限制在纳米尺度范围内的概念。”

Hassani教授团队与ARL研究人员合作，打造了一款纳米晶体合金——铜钽合金（Cu-3Ta）。该合金的纳米晶铜晶粒非常小，其位错移动也受到限制，并且因其晶粒内部添加的纳米级钽团簇进一步限制了其位错的移动。

为了测试该材料，Hassani教授的实验室采用了一种定制化桌面测试平台。该平台通过激光脉冲，发射直径为10微米的球形微粒，速度可达每秒1千米，比飞机还快。该微粒撞击了目标材料，研究人员用高速摄像头记录了冲击过程。研究人员先用纯铜材料进行了该实验，然后用了铜钽合金进行了实验。此外，研究人员还以较慢的速度重复进行了实验，采用一个球形尖端逐渐压入该材料基底，使其形成压痕。

不过，该项研究面临的最大的挑战在于分析数据。关键问题在于追踪每次冲击和压痕所消耗的能量。研究人员研发了一个理论框架，以将两种机制的作用区分开来：低速率下的热激活过程以及高速率下的弹道传输。

在传统的金属或合金中，位错可以自由移动数十微米。但是在纳米晶体铜钽合金中，位错几乎无法移动超过几纳米（纳米是微米的千分之一），就会很快受到阻挡，因此脆化得到了有效的抑制。