當塑料薄膜的表面有水時，它可以與另一個塑料薄膜粘合在一起。通過剪切很難將其分開，但通過剝離卻很容易將其分開。這樣一個生活中常見的現(xiàn)象卻引出了兩種常用于表征軟材料力學性質(zhì)的實驗方法：搭接剪切與剝離。隨著軟材料在工程、生命、醫(yī)學等領(lǐng)域的發(fā)展，其力學性質(zhì)的表征對于相關(guān)應(yīng)用至關(guān)重要。搭接剪切與剝離均可以用來測量軟材料的韌性，然而其測量結(jié)果卻很少被放在一起比較。由于兩種方法的力學原理存在較大差異，搭接剪切與剝離測得的軟材料韌性是否一致是一個長期被忽視的重要科學問題，將直接影響軟材料韌性表征的準確性和應(yīng)用的可靠性。

最近，哈佛大學鎖志剛教授課題組對這一重要科學問題進行了深入系統(tǒng)的研究。他們以聚丙烯酰胺水凝膠為例，使用剪刀引入裂紋，通過搭接剪切、90度剝離與180度剝離對水凝膠的韌性進行了測量和比較。發(fā)現(xiàn)三種方法測得的水凝膠韌性大致相同。同時，相比90度剝離與180度剝離，搭接剪切的測量結(jié)果分散性較大。為了進一步研究搭接剪切的測量結(jié)果，該團隊進行了另外兩組系統(tǒng)的實驗研究。首先，通過預(yù)剝離的方式引入裂紋，解決了搭接剪切測量結(jié)果分散性的問題，三種方法測得了大致相同的水凝膠韌性。其次，通過不同厚度的薄片在水凝膠中引入具有不同直徑的缺口，分別使用搭接剪切、90度剝離與180度剝離測量了含有不同直徑缺口水凝膠的韌性。發(fā)現(xiàn)搭接剪切的測量結(jié)果隨缺口直徑增加而增大，而90度剝離與180度剝離測得的韌性不隨缺口直徑變化。以上研究和發(fā)現(xiàn)為搭接剪切與剝離測量軟材料的韌性提供了指導，豐富和發(fā)展了軟材料力學。 

圖1 軟材料的搭接剪切與剝離

如圖1 所示，在搭接剪切過程中，軟材料整體發(fā)生剪切變形。當力達到峰值時，裂紋開始擴展并迅速貫穿軟材料，導致其發(fā)生破壞。因此，峰值力對應(yīng)于材料的韌性。在剝離過程中，只有剝離前端局部的軟材料發(fā)生變形，而軟材料的其他部分不發(fā)生變形。當力達到峰值時，裂紋開始擴展。隨后，力會從峰值下降至一個平臺并保持，裂紋從而在軟材料中達到穩(wěn)定擴展。因此，平臺力對應(yīng)于材料的韌性。

圖2 含有通過剪刀引入裂紋的水凝膠用以韌性測量

為了比較搭接剪切與剝離的測量結(jié)果，該團隊使用剪刀在水凝膠中引入一個裂紋，分別使用搭接剪切、90度剝離與180度剝離對水凝膠的韌性進行了測量（圖2）。結(jié)果表明，三種方法測得的韌性的平均值大致相同，但搭接剪切的測量結(jié)果分散性較大。同時，兩種剝離方法中的峰值力也存在較大的分散性。由于水凝膠試樣很軟，且又薄又寬，所以經(jīng)常需要剪多次才能引入一個完整的裂紋。因此，用剪刀引入的裂紋通常會擁有不同的尺寸、位置或取向，成為導致搭接剪切測量結(jié)果分散性的主要原因。

圖3 含有通過預(yù)剝離引入裂紋的水凝膠用以韌性測量

為了印證上述搭接剪切測量結(jié)果分散性的主要原因，該團隊通過預(yù)剝離的方式引入裂紋，分別使用搭接剪切、90度剝離與180度剝離測量了水凝膠的韌性，解決了搭接剪切測量結(jié)果分散性的問題，得到了與兩種剝離方法大致相同的韌性測量結(jié)果（圖3）。同時，兩種剝離方法中的峰值力也被移除了。

圖4 搭接剪切對含有不同直徑缺口水凝膠的測量結(jié)果

圖5 90度剝離對含有不同直徑缺口水凝膠的測量結(jié)果

圖6 180度剝離對含有不同直徑缺口水凝膠的測量結(jié)果

為了進一步研究搭接剪切的測量結(jié)果，該團隊通過不同厚度的薄片在水凝膠中引入了具有不同直徑的缺口，并使用搭接剪切、90度剝離與180度剝離對含有不同直徑缺口的水凝膠進行了表征。結(jié)果表明，搭接剪切的測量結(jié)果隨缺口直徑增加而增大（圖4），而90度剝離與180度剝離中的峰值力雖然隨缺口直徑變化，但測得的韌性不隨缺口直徑變化（圖5和圖6）。

鎖志剛教授團隊以聚丙烯酰胺水凝膠為例，對用搭接剪切與剝離來表征軟材料的韌性進行了系統(tǒng)的研究和比較。對于含有剪刀引入裂紋的試樣，搭接剪切與剝離測得的韌性大致相同，但搭接剪切的測量結(jié)果分散性較大。對于含有通過預(yù)剝離引入裂紋的試樣，搭接剪切與剝離測得的韌性大致相同，且搭接剪切的測量結(jié)果分散性較小。對于含有不同直徑缺口的試樣，搭接剪切的測量結(jié)果隨缺口直徑的增加而增大，而剝離中的峰值力雖然隨缺口直徑變化，但測得的韌性不隨缺口直徑變化。該研究和發(fā)現(xiàn)對用搭接剪切與剝離來表征軟材料的韌性提供了指導，豐富和發(fā)展了軟材料力學。 

這項研究工作發(fā)表于Journal of the Mechanics and Physics of Solids。論文第一作者為王葉成博士（哈佛大學博士、博士后），第二作者為尹騰昊（浙江大學博士生、哈佛大學聯(lián)合培養(yǎng)）。美國科學院院士、美國工程院院士、哈佛大學鎖志剛教授為論文通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2021.104348