追求材料的理论极限强度是人类的永恒目标。理论极限强度，是指材料发生断裂破坏所需机械应力的理论上限值，通常在E/10左右（E为杨氏模量）。从2008年科学家通过实验首次验证单层石墨烯的断裂强度达到理论极限强度值以来，碳纳米管、单晶金刚石、新型二维材料等一系列准脆性材料在极限尺寸下被实验证明可以达到理论极限强度。然而，在人类文明中发挥重要作用的金属材料是否能够达到其理论值是近百年来悬而未决的问题。由于位错、剪切带等缺陷形核和运动，尽管科研人员采用了缩小样品尺寸至微纳尺度等方法，金属材料的实验强度值仍未能超过E/20水平。

近日，北京大学工学院韦小丁教授课题组与新加坡南洋理工大学高华健院士（现为清华大学讲席教授）团队合作，对Cu-Zr非晶合金进行激光诱导的极端应变率下的层裂实验，结果表明材料的层裂强度达到其杨氏模量的1/6，首次实验证明了金属材料的断裂强度在极端条件下也能够达到理论极限值。相关研究成果以"Amorphous alloys surpass E/10 strength limit at extreme strain rates "为题发表于《自然通讯》（Nature Communications）期刊。

作者利用上海“神光II号”大型高功率激光装置，对厚度在50-100μm的Cu₅₀Zr₅₀非晶合金（金属玻璃）样品进行超高应变率层裂实验。与传统平板冲击实验相比，本研究中的拉伸应变率提升约两个数量级，超过10⁷/s。材料在此极端应变率下展现出极高的层裂强度11.5 GPa，约为E/6（图1）。断面形貌的扫描电镜表征结合分子动力学模拟揭示了Cu₅₀Zr₅₀在超高应变率下的破坏模式由孔洞的形核长大主导，显著区别于准静态下的剪切带局域化破坏模式（图2）。研究发现，Cu₅₀Zr₅₀中孔洞的演化动力学展现出强烈的应变率敏感性——随着应变率的增大，孔洞的形核数量急剧增多，而孔洞平均尺寸降低。基于此，作者建立了非晶合金在超高应变率下的孔洞演化理论模型，定量解释了材料强度的应变率敏感性。

图1. a) 纳秒激光脉冲对非晶样品的冲击实验示意图；b) CuZr非晶合金层裂强度随应变率变化关系的实验结果与分子动力学模拟结果对比

图2. 非晶合金层裂面的显微结构表征表明材料主要由孔洞形核与生长导致。实验结合大型分子动力学模拟发现，随着激光能量增加，拉伸应变率增加，并且层裂面上的孔洞尺寸从微米尺度逐渐过渡到纳米尺度

该项研究回答了金属材料能否达到理论极限强度这一悬而未决的问题，揭示了非晶体系材料在极端加载条件下的独特变形机制和非凡力学行为，为非晶合金在极端条件下的工程应用提供了重要启示。

北京大学工学院朱文清博士和新加坡科技研究局高性能计算研究院李智博士为该论文的共同第一作者。韦小丁和高华健为论文的共同通讯作者。论文作者还包括中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所舒桦研究员。本项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及新加坡科技研究局和南洋理工大学的经费资助。