脆性材料裂纹易骤然扩展、断裂韧性偏低的固有缺陷，长期限制其在航空航天承力构件、精密抗冲击结构、柔性电子基底等关键场景的工程落地。传统增韧方案多聚焦基体成分改性、晶粒细化、第二相掺杂等微观调控方式，普遍存在结构刚度衰减、性能可调范围窄、形变不可逆无法复用等局限。2026年7月15日，清华大学力学与工程交叉研究院联合南洋理工大学机械与宇航工程学院高华健、李晓雁研究团队，在Nature刊发重要研究成果，依托弹性失稳拓扑结构设计，实现力学超材料从脆性到高韧性的可控性能跃迁，构建出无需改动基体材质、仅通过宏观结构编程精准调控断裂抗力的创新研究路径。

该研究设计周期性双曲梁晶格拓扑超材料，利用双曲梁突跳屈曲（snap-through buckling）弹性失稳效应，引入结构非弹性能量耗散机制，突破了传统材料依赖原子、晶粒微观尺度实现增韧的固有框架。通过定量调控晶格拓扑几何参数，研究可主动切换材料尺寸无关的本征断裂行为、尺寸相关的外禀断裂行为两种响应模式，使脆性超材料断裂能提升近一个数量级，最大值可达2.78kJ/m²，完成韧性指标的精准可控提升。

在裂纹扩展过程中，晶格内梁单元发生可逆弹性屈曲形变，有效耗散裂纹尖端集中应力，抑制裂纹快速贯通造成的结构失效。相较于塑性增韧带来的永久不可逆形变损伤，该弹性失稳机制在卸载荷载后可让结构恢复初始构型，同步兼顾高断裂韧性与构件重复使用性能。为避免研究成果混淆，需厘清团队前后接续工作的机理差异：课题组2025年发表于Nature Communications的双键断裂超材料研究，依靠强弱键逐级断裂实现全场外禀增韧，核心能量耗散路径为键合断裂，并未将弹性屈曲作为调控主线，属于该研究方向的前期阶段性探索成果，与本次Nature正刊基于弹性失稳的原创增韧机制形成清晰的递进研究脉络。

此项研究打通了拓扑超材料设计与断裂力学的学科交叉壁垒，仅依靠宏观晶格构型设计即可程序化定制材料断裂抗性，无需对原材料基体进行改性处理，在轻量化航天防护结构、耐损耗精密装备、可重复使用抗冲击器件等领域具备良好转化前景，也为力学超材料的性能按需定制搭建了标准化设计框架。

参考文献

[1] WANG Y J, LIU Y C Y, WU K L, et al. Programming fracture resistance in metamaterials via elastic instabilities[J]. Nature, 2026. https://www.nature.com/articles/s41586-026-10804-0, DOI:10.1038/s41586-026-10804-0.
[2] LIU B, WANG Y F, et al. Dual-bond fracture metamaterials with full-field extrinsic toughening[J]. Nature Communications, 2025. https://www.nature.com/articles/s41467-025-62007-2, DOI:10.1038/s41467-025-62007-2.

支持单位：