3D patterns on fractured surfaces of soft stretchable materials

材料科学 不连续性分类 断裂(地质) 弹性(物理) 复合材料 软质材料 断裂力学 工作(物理) 软物质 自愈水凝胶 非线性系统 断裂韧性 弹性能 曲面(拓扑) 表面能 几何学 材料性能
作者
Tenghao Yin,Étienne Barthel,Chung‐Yuen Hui,Costantino Creton,Matteo Ciccotti
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:123 (38): e2613575123-e2613575123
标识
DOI:10.1073/pnas.2613575123
摘要

Patterns in soft solids play essential roles across many fields and are created through diverse strategies. Here, we study the complex three-dimensional (3D) patterns which emerge directly from the fractured surfaces of soft stretchable materials. Using polyacrylamide hydrogels as model materials, we investigate the patterns on fractured gels with various crosslinker concentrations. In these systems, the crack front grows with 3D discontinuities that leave distinct step-like traces on the main fracture plane. We characterize the morphology using two geometric parameters: the step height t and step angle θ , which are highly related to material properties as shown by experiments and modelings. We find that for soft stretchable materials, the step height is on the order of the fractocohesive length R f , rather than the previously claimed elastoadhesive length l e . The step angle increases with network crosslinker concentration and approaches a plateau of magic ~45° at high crosslink densities. This work shows how nonlinear elasticity and fracture energy shape 3D fracture surface topography in soft materials and provides principles for designing functional patterned surfaces with tunable properties.

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