人类文明的进程很大程度上就是一部人类使用材料的历史。最早人类使用石器作为生活与打猎的工具，后来人类学会使用黏土矿物烧制陶器，用这种人造材料结束了石器时代。再后来人类逐渐掌握了金属矿产的冶金技术，于是有了青铜时代与铁器时代，对金属的利用有效地改良了工具，提高了生产力。近百年来，材料科学更是突飞猛进，从无机材料到有机材料，橡胶、塑料、纤维等合成材料使得人类对皮革、木材、棉花和丝绸等自然材料的依赖性大大降低；合金与复合材料使得航空航天业得到空前发展，硅等半导体材料打开了信息时代的大门，纳米材料与特殊功能的新材料正在迅速地改变人类的生活和生产方式。

1829年，法国物理学家西莫恩·德尼·泊松(Siméon Denis Poisson，1781年6月21日－1840年4月25日)在其《弹性体平衡和运动研究报告》的论文中首次定义了一个描述材料在受力拉伸或挤压后发生横向应变(ε_y)与轴向应变(ε_x)之比的无量纲参数：υ(=-ε_y/ε_x)，这就是后来人们称为的泊松比。弹性力学理论分析表明，一个均质固体的υ介于-1~0.5之间。但长期以来，人们发现固体材料的υ值总是介于0~0.5之间，说明材料被拉伸时，在垂直于受力方向上则会收缩；或被挤压缩短时，在垂直于受力方向上则会伸展，这就是所谓的泊松效应。对301种硅酸盐矿物的泊松比数据统计后得出其平均值为0.260 (标准误差0.049)，158种氧化物矿物的泊松比的平均值为0.253 (标准误差0.062)。常温常压下，除了少数单矿岩(υ_石英岩=0.08，υ_石灰岩=0.300，υ_{低温利蛇纹石岩}=0.293)，绝大多数多矿物岩石的υ值都在0.250左右变化(υ_花岗岩=0.202，υ_榴辉岩=0.232，υ_橄榄岩=0.240，υ_辉石岩=0.250，υ_辉长岩=0.262，υ_斜长岩=0.282)。岩石的泊松比与地震纵、横波速之比(V_p/V_s)存在下列关系：

当流体的υ=0.50，V_p/V_s→∞，即V_s→0，说明横波不能通过流体。对于许多岩石来说，υ=0.25，V_p/V_s= ，即纵波比横波快约1.73倍。如果, 则υ为负值。现在V_p/V_s值已成为地球物理测量的一个重要内容，以此判别地壳和地幔的物质成分与物理状态。

直到1987年，美国材料物理学家R.S.Lakes在《科学》杂志上首次报道一种人工特制材料(聚氨酯泡沫材料)的泊松比为负值，并表现出“怪异的”变形行为，例如，该材料被拉伸时，其侧面会反常地膨胀；而被压缩时，其侧面反而会收缩。在水平挤压作用下，泊松比为正值的板材发生弯曲，形成马鞍状褶皱，褶皱的轴线与枢纽平行并均为直线；但当泊松比为负值时，板材在水平挤压作用下，由于在垂直作用力方向上同时存在挤压而弯曲成穹隆-盆地构造(蛋盒状)，褶皱枢纽为曲线。在穹隆处，褶皱层面自脊点向周围作反射性倾斜；在盆地处，褶皱层面从周围向中心倾斜。科学家把泊松比为负值的材料命名为拉胀材料(Auxetic materials)，并敏感地意识到这类具特殊功能的材料必然具有强化的力学强度与抗断能力性能，从而增强撞击保护、抗穿透性(防弹)及阻尼(减缓振动与吸收能量)的效果。如图 1所示，在遭遇冲击应力(如子弹射击)的情况下，传统材料往往会在垂直作用应力的方向上发生拉张，形成张性破裂，导致结构破坏。但拉胀材料就不同了，在垂直作用应力的方向上不仅不发生拉张，反而发生收缩，使得被冲击部位压得更紧、更实，形成不了张性破裂，从而避免了结构破坏。近20年来，拉胀材料的研制与开发及其相关变形机制的理论与实验研究已经成为材料科学重要的热点，成为在航空、军事、机械材料、传感器、医疗等行业具有广泛应用的一个新的领域。

所有的拉胀材料皆具有一个共同的特点，就是G>3K/2(G和K分别为材料的剪切模量和体模量)，说明这类材料抗剪强度大，但抗压强度相对比较小。目前已知的拉胀材料大多是具特殊结构(例如，内凹胞体或蜂巢结构、铰链结构等)的人工材料(例如，泡沫聚合物、内凹微孔聚合物、纤维与复合材料等)，存在的高空隙率必然会严重地降低材料自身的力学强度，进一步影响材料总体的力学性能。如果在天然材料例如矿物和岩石中能找到拉胀材料，不仅能克服人工材料的上述缺点，而且降低成本。

迄今为止，矿物中好像只有方石英的泊松比总呈负值(图 2)，而且这种力学性质在0~1 500 ℃的温度范围内都有。石英的泊松比只是在其α-β相转变温度区间(500~575 ℃，0.1 MPa；550~675 ℃，600 MPa)内出现，从而限制其作为拉胀材料使用的温度-压力条件范围。磷铝矿具有与石英类似的结构，估计在其α-β相转变的临界温度附近(583~587 ℃，0.1 MPa)也可能出现负的泊松比，有必要对此进行试验查明。

最近，笔者的团队测试发现，采自中国河北省宽城县和兴隆县的常州沟组的石英状砂岩(图 3)在常温低压条件下(≤50~100 MPa)就是一种具负泊松比的拉胀材料(图 4)。常州沟组是长城系最下部的一个地层单元，亦是迄今华北克拉通发现的中元古界最早的沉积地层。其主要岩性为含长石石英砂岩和厚层状纯石英砂岩，由于貌似变质程度较高的石英岩，所以大家习惯称之为石英状砂岩或粉砂岩。这些石英状砂岩属于陆相-浅海相碎屑沉积成因，野外露头呈浅灰或灰白色(图 3a )。常州沟组与下伏太古界及下元古界片麻岩皆呈不整合接触，广布于河北省北部、辽宁省西部，但在各地厚度不一，在宽城地区最大厚度可达1 390 m, 西凌源地区厚度甚至可达1 600 m，在太行山地区约为865 m。万渝生等(2003)测得常州沟组含长石石英砂岩和石英砂岩中碎屑锆石的年龄主要在2.35~2.60 Ga，上部层位还有一定数量的1.9~1.8 Ga和2.1~2.3 Ga碎屑锆石存在，表明常州沟组的碎屑沉积物应来自华北克拉通年龄为2.5~2.6 Ga的大陆地壳，常州沟组的沉积年龄应不大于1.8 Ga。具拉胀性能的常州沟组的石英状砂岩在华北克拉通大量出露，可谓“取之不尽用之不竭”，若用于国防建筑，则能增强抵御导弹袭击的能力。

既然本文是谈泊松比的，文章最后不妨再谈几句有关莫恩·德尼·泊松这个法国人。他17岁就以统考第一名的成绩考进法国最难进的巴黎理工学院(Ecole Polytechnique de Paris)。有的国人不谙法语，亦不熟悉法语社会的教育体制，曾将Ecole Polytechnique错误地等同于中国的中专技术学校或三本技术学院。在巴黎，泊松成为拉格朗日(Joseph Lagrange，1736年1月25日－ 1813年4月10)和拉普拉斯(Pierre-Simon marquis de Laplace，1749年3月23日－1827年3月5日)两位著名教授的得意门生。大学毕业后，泊松留校做了讲师，6年后接替傅里叶(Jean Baptiste Joseph Fourier，1768年3月21日－1830年5月16日)做了教授，31岁时就当选为法兰西科学院院士。他一生共发表 300多篇学术论文，在数学积分理论、行星运动理论、弹性力学、热物理、电磁理论、位势理论和概率论等诸多领域都作出了杰出的贡献，以他的姓名命名的科学名词除了泊松比之外还有：泊松定理、泊松公式、泊松方程、泊松分布、泊松过程、泊松积分、泊松级数、泊松变换、泊松代数、泊松流、泊松核、泊松光斑、泊松括号、泊松稳定性、泊松积分表示、泊松求和法，等等。

        □作者系本刊专栏作家，著名旅加华裔学者，蒙特利尔工学院教授

                  Department des Genies Civil,

        Geologique et des Mines, Ecole Polytechnique

         deMontreal, Montreal, Quebec, H3C 3A7, Canada