在最新的《Science》封面文章中，加州理工学院团队提出了一种全新的3D架构材料——PAM（Polycatenated Architected Material，多链连接结构化材料）。PAM不仅是一种结构化材料，还展现出了类似高分子的行为，其机械性能的独特表现为材料设计提供了重要的启发。本文将结合PAM的设计与性能，探讨其对高分子材料研究的借鉴意义，以及其潜在的科学与工程应用价值。
PAM本质上是由环形或笼状颗粒互相交织而成的三维架构，其独特的拓扑结构赋予了它在应力条件下的流固双态行为——剪切力下如液体般流动，压缩力下如固体般坚硬。这种行为与高分子材料在分子尺度的特性高度相似：
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而在高应力下，链段可能产生结晶或紧密堆积，表现出更高的刚性。
从结构的角度看，PAM可以被视为一种“宏观尺度的高分子”：其单元颗粒通过多链连接实现“机械键”的拓扑约束，这一结构能够在外部力学输入下，通过改变局部单元的排列和堆积，产生复杂的粘弹性行为。
尽管PAM展现出了类似高分子的行为，它的拓扑设计和力学响应可以远超传统高分子：
1.颗粒的可编程设计：PAM中的单元颗粒可以通过几何设计实现多种形状（环、笼或多面体），赋予材料更高的结构自由度。这种自由度在传统高分子链段中很难实现。
2.动态局部响应：与高分子链中受限的分子间作用力不同，PAM通过颗粒间的机械连接和滑动，能够在局部区域实现独立的粘弹性调控。
3.跨越尺度的适应性：PAM的独特行为从微米级到宏观尺度保持一致，突破了高分子在分子尺度上受限的响应特性，提供了更广泛的应用场景。
因此，PAM不仅是传统高分子研究的延续，更是一种跨越分子尺度的设计新范式，为未来的材料创新开辟了新的方向。
PAM的设计提供了一个研究宏观尺度上材料力学行为的新视角。
一个有趣的特性是PAM的流固双态性。例如，通过局部施加应变，可以改变PAM小区域的排列，使其表现出与其他区域不同的粘弹性行为。这种局部应变引发的性能变化不仅依赖于颗粒的几何设计，还涉及材料的热力学行为。
热力学分析表明，PAM的颗粒可以通过自组装形成局部高度有序的聚集体，而这种自组装依赖于相邻单元的拓扑配置。进一步地，这一过程可以通过熵最大化理论来模拟。具体来说：
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PAM的局部排列可通过排除体积的几何结构（即系统中其他分子无法进入的空间）和颗粒平均速度来预测。
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不需要考虑颗粒间的直接相互作用，仅基于几何和速度的热力学关系即可估算PAM在特定应变下的局部堆积和有序状态。
通过这种理论建模，可以有效预测PAM在不同应变或应变速率下的局部行为，并进一步帮助定制材料的力学性能。
PAM的静电响应提供了另一种动态调控机制。当微尺度PAM（microPAM）受到静电刺激时，环状颗粒间产生的相互排斥力使材料克服重力，实现快速的形态变换（shape morphing）。
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精准性：通过静电控制，PAM能够从压缩态迅速展开到张开态，过程耗时不到0.1秒。
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潜在应用：这种动态响应特性特别适合航空航天领域的可展开结构，如轻量化太阳能帆和可控展开天线。同时，它还为生物医学中的柔性设备提供了创新思路。
这种静电驱动下的形态变化进一步证明了PAM作为智能材料的潜力，其响应机制与拓扑设计紧密相关。
PAM的拓扑设计不仅推动了具体材料的创新，更具有重要的基础科学意义：
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通用性：通过颗粒间的机械连接，PAM为跨尺度设计提供了统一的拓扑框架，适用于从微米级到宏观结构的多层次设计。
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启发性：这一方法论为其他材料体系（如高分子、颗粒材料和复杂流体）提供了新的建模思路，尤其在动态响应与自适应性领域。
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跨学科潜力：拓扑设计结合机械性能调控，不仅推动了材料科学的发展，还可能对基础物理学（如动力学和熵理论）产生深远影响。
正如网状化学（Reticular Chemistry）通过节点与连接单元的化学设计重塑了多孔材料的研究，PAM的拓扑设计提供了一种新的视角，将几何与物理深度结合，探索材料的极限可能性。
PAM在宏观尺度上的性能调控与自组装行为，提醒我们材料设计不应局限于分子尺度。通过引入类似高分子链的拓扑连接设计，未来的高分子材料可以探索更多“物理机制”：
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局部应变诱导的性能差异，为新型复合材料设计带来了灵感。
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利用熵驱动的自组装过程，实现更高效、更可控的材料组装。
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结合PAM的拓扑约束，设计更加智能化、适应性更强的材料，特别是在动态环境中的应用。
PAM的出现为高分子科学注入了新的活力——它从“宏观尺度的高分子”出发，重新定义了材料的性能与设计规则，也为设计更加智能、更加复杂的材料铺平了道路。
周文杰，美国加州理工博士后。周文杰博士2016年于南开大学化学本科毕业，此后于2022年在美国西北大学获得化学博士学位。2022年9月至今，在美国加州理工学院进行博士后研究。他博士期间在一些高影响力期刊已发表20余篇论文，其中以第一或者共同第一作者发表在Science，Nature，Nature Materials，Science Advances，PANS，Advanced Materials等刊物。他博士后正致力于研究机械超材料的自动化设计与制造（本文）及其作为用于航空航天、软体机器人等研究和实践的新一代技术。他曾获得MRS研究生金奖，中国政府海外优秀学生奖，SPIE光学与光子学奖学金（SPIE Optics and Photonics Scholarship），国际纳米技术研究院杰出研究奖（IIN Outstanding Researcher），国际贵金属研究所明日之星奖（IPMI Bright Future Award），以及瑞安奖学金（Ryan Fellowship）等奖项。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9713
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