Science封面：新型物质，既可是流体，又可是固体- 大数跨境

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Science封面：新型物质，既可是流体，又可是固体

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2025-01-24

导读：Chiara Daraio、Wenjie Zhou及Xiaoxing Xia等研究者发明了多链结构化材料

副标题：3D多链结构化材料

不多说，直接上封面图。

当期封面。图片来源：Science

看完封面，各位读者应该就会明白这种由美国加州理工学院Chiara Daraio、Wenjie Zhou及劳伦斯·利弗莫尔国家实验室Xiaoxing Xia等研究者发明的“多链结构化材料（polycatenated architected material, PAM）”的大体设计思路——将多个单元按照一定拓扑结构链接起来。这就像是古代战士常穿的锁子甲，不过是3D版本的锁子甲。

有意思的是，这并非是Chiara Daraio教授课题组首次借用“锁子甲”的理念来设计能登上顶刊的新材料。2021年，他们在Nature 上报道了一种神似锁子甲的机械性能可调智能织物（Nature, 2021, 596, 238, 点击阅读详细）。不受力的状态下，这种织物就像普通布料一样柔软；但在施加压力下，织物中三维结构颗粒单元会互锁并卡住，使得织物由软变硬，并可承担一定的负载。这种变化完全可逆，也就是说，压力撤去之后，织物又可恢复柔性状态。与锁子甲由无数小环链接而成不同，他们的智能织物由八面体颗粒单元间形成多点互锁。

机械性能可调的智能织物。图片来源：Nature

大家都知道，结构化材料的性质源于其内部结构单元的几何排列，材料整体的力学行为受到连续结构单元网络的控制。那么，本文关注的PAM，结构具体如何设计？材料又有什么样的有趣性质？简单来说，这种PAM可以看作是一种由多个环或笼状颗粒互锁连接而成的3D网络。研究者提出了一个通用的设计框架，可将任意一种晶体网络转化为此种颗粒连接和几何形状。在响应较小的外部载荷时，PAM表现得像非牛顿流体，具有剪切稀化和剪切稠化的响应，这可以通过其连接拓扑结构来控制。而在较大的应变下，PAM表现得像晶格固体材料，展现出非线性应力-应变关系。有意思的是，在微观尺度上，PAM可以改变其形状以响应施加的静电荷。该材料的这些独特性质为开发刺激响应材料、能量吸收系统和变形结构铺平了道路。

PAM的设计策略。图片来源：Science

传统的晶格结构可以映射成由节点和连接组成的连续拓扑网络（上图A）。PAM的设计策略从选定晶体网络开始，研究者创建了周期性纠缠的环形、多边形或多面体笼状颗粒，作为PAM的结构单元。首先识别连续网络中的节点对称性，并将其与具有这些对称性的颗粒对应（上图B）。相邻颗粒相互连接，复制原始的网络连接（上图A至C），如此以来，晶体晶格拓扑就可以转移至PAM。单个节点可以使用各种形状的颗粒来表示，例如多面体、多边形簇或环面簇（上图D）。根据组成单元的性质不同，所得到的多链体系结构的拓扑也不同（上图E）。给定的颗粒形状（例如立方体（CO））可以表现出多个对称轴（上图F），这意味着多种潜在的连接环境（上图G至I）。通过单独或组合利用这些连接，就可以创建各种PAM（上图J至M），每个PAM都有自己的全局拓扑。为了便于识别，研究者使用了一个三部分命名方案，X-n-abc，其中“X”表示网络拓扑，“n”表示每个颗粒的连接数，“abc”表示颗粒形状。例如，D-4-TET（上图C）表示由四面体（TET）组成的多链dia网络（D），每个四面体与四个相邻颗粒角对角互锁（4）。

重力的影响及单轴压缩测试。图片来源：Science

研究者使用包括丙烯酸聚合物、尼龙和金属在内的多种材料，3D打印出这些PAM结构，大多数原型都是边长5厘米左右的立方体或直径5厘米的球体。随后，研究者进行了各种测试，来了解PAM的机械性能。“我们从压缩开始，”Wenjie Zhou博士解释，“然后我们尝试了简单的剪切，施加一个横向力，就像你试图撕裂材料时所做的那样。最后，我们做了流变学测试，看看材料对扭曲的反应，首先是缓慢的，然后是更快、更强的。”在某些情况下，这些PAM表现得像液体。“想象一下对水施加剪切应力，”Wenjie Zhou博士说。“不会有任何阻力。PAM的环和笼组成单元相互滑动，因此许多PAM具有很小的剪切阻力。”但当这些结构被压缩时，它们可能会变得完全刚性，表现得像固体一样。^[1]

剪切和流变学测试。图片来源：Science

更有意思的是，这种设计策略与结构单元的尺寸无关，即便将边长从24毫米缩小至400微米，所得到的微型PAM表现出与前文厘米级PAM相同的力学响应。此外，微型PAM可以响应施加的静电荷并改变形状。这些有趣的性质表明，此种PAM在生物医学设备或软体机器人领域有着不错的应用潜力。

PAM设计策略与尺寸无关以及静电驱动的微型PAM。图片来源：Science

“在过去的20到30年里，结构化材料一直是材料科学和工程领域的一个重要分支，”Daraio教授说，“不过，作为颗粒材料和弹性可变形材料的混合体，PAM是令人兴奋的新材料。”目前，PAM的潜在应用在很大程度上只能推测，但仍然很有吸引力。Daraio教授表示：“这种材料具有独特的能量吸收性质。每个结构单元都可以滑动、旋转和相互重组，因此它们可以非常有效地耗散能量。”它们比目前广泛使用的泡沫材料更适合用于头盔或其他形式的防护装备，同样的，它们在包装材料或任何需要缓冲的环境中同样具有吸引力。^[1]

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