新型多連環(huán)構(gòu)架材料（PAM）登上Science封面，展現(xiàn)流體-固體雙重特性

2025年1月，南極熊獲悉，來自美國加州理工學(xué)院的研究者們一種新的材料類別——多連環(huán)構(gòu)架材料（polycatenated architected materials, PAMs），它由離散的互鎖環(huán)或籠狀粒子組成，形成3D結(jié)構(gòu)，為開發(fā)刺激響應(yīng)材料、能量吸收系統(tǒng)和變形建筑提供了可能性。在整個(gè)研究過程腫，研究人員使用3D打印技術(shù)制造了不同的不同類型的PAMs樣本，精確地控制粒子的形狀、大小以及它們的空間排列。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在Science上，并登上了Science封面，研究題目為3D polycatenated architected materials（三維多鏈結(jié)構(gòu)材料）。



研究背景
傳統(tǒng)構(gòu)架材料（architected materials）是通過設(shè)計(jì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)元素的幾何排列來獲得特定性能的一類材料。這些材料的設(shè)計(jì)依賴于連續(xù)結(jié)構(gòu)組分來控制整體的機(jī)械行為，通常包括剛性連接的桁架、板或殼基格子結(jié)構(gòu)。它們可以從周期性重復(fù)的單元胞或無序架構(gòu)中獲取有效的整體性質(zhì)，并能表現(xiàn)出高強(qiáng)度和輕量化、負(fù)泊松比等關(guān)鍵特性。



然而，這類材料在缺乏邊界約束時(shí)往往缺乏“凝聚力”，因?yàn)轭w粒之間沒有粘合劑連接，因此在張力下不會(huì)提供阻力。此外，鏈甲等二維互鎖織物可以支持可調(diào)的剛度和可控的形態(tài)變化，但三維拓?fù)浠ユi結(jié)構(gòu)尚未被充分探索研究。

美國加州理工學(xué)院的此次研究介紹了一種新的材料類別——多連環(huán)構(gòu)架材料（polycatenated architected materials, PAMs），由離散的互鎖環(huán)或籠狀粒子組成，形成3D網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。PAMs能夠展示出非牛頓流體的行為，如剪切稀化和剪切增稠反應(yīng)，同時(shí)在大應(yīng)變條件下表現(xiàn)出類似于晶格和泡沫的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。在微尺度上，PAMs還能響應(yīng)靜電荷改變形狀。這種新型材料為開發(fā)刺激響應(yīng)材料、能量吸收系統(tǒng)和變形建筑提供了可能性。

研究內(nèi)容
研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)通用的設(shè)計(jì)框架，能夠?qū)⑷我饩�體網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成粒子互鎖及幾何形狀，從而創(chuàng)建了3D PAMs。這個(gè)過程涉及以下步驟：


△PAM 的設(shè)計(jì)策略

●從連續(xù)圖拓?fù)涞絇AM的轉(zhuǎn)換：選擇一個(gè)晶體網(wǎng)絡(luò)，識(shí)別節(jié)點(diǎn)對(duì)稱性并與具有相應(yīng)對(duì)稱性的粒子對(duì)齊，然后使這些粒子與相鄰粒子相互連接，復(fù)制原始網(wǎng)絡(luò)連接。

●基于指定粒子幾何形狀生成3D PAM：根據(jù)給定粒子形狀（例如立方八面體）的多個(gè)對(duì)稱軸，利用這些互鎖環(huán)境單獨(dú)或組合使用，創(chuàng)造出不同全球拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PAMs。

●命名方案：為了便于識(shí)別，采用了三部分命名法X-n-abc，其中“X”表示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�，“n”表示每個(gè)粒子的互鎖數(shù)量，“abc”表示粒子形狀。

研究人員進(jìn)行了機(jī)械表征實(shí)驗(yàn)，包括準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮測試、簡單剪切測試和流變測試。他們觀察到了PAMs的非線性應(yīng)力-應(yīng)變行為、加載卸載滯后現(xiàn)象以及能量吸收特性。

增材制造技術(shù)助力新材料開發(fā)
在研究過程中，為了制造多連環(huán)構(gòu)架材料，研究人員采用了增材制造，即3D打印，來構(gòu)建這些復(fù)雜的三維互鎖結(jié)構(gòu)。具體來說，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并3D打印了不同類型的PAMs樣本，包括宏觀和微觀尺度上的樣本。3D打印使得能夠精確地控制粒子的形狀、大小以及它們的空間排列，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)所需的機(jī)械性能至關(guān)重要。此外，對(duì)于微尺度的PAMs，研究者還展示了其在施加靜電荷后能夠迅速且可逆地改變形狀的能力。這表明3D打印不僅有助于創(chuàng)建這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而且對(duì)于探索材料在不同條件下的響應(yīng)行為也非常重要。總而言之，3D打印技術(shù)在這項(xiàng)研究中起到了關(guān)鍵作用，它為科學(xué)家們提供了一種靈活且高效的方法來生成和測試新型構(gòu)架材料。


研究方法
該研究使用了增材制造技術(shù)制作了PAMs樣品，并選擇了八種代表性的PAMs進(jìn)行分析。為了理解PAMs的力學(xué)響應(yīng)特性，研究者們進(jìn)行了以下幾種實(shí)驗(yàn)：


△PAM 的重力誘導(dǎo)松弛和單軸壓縮

●單軸壓縮測試：用于評(píng)估PAMs在不同方向上的松弛行為及其非線性應(yīng)力-應(yīng)變特性。

●簡單剪切測試：展示了PAMs從流體樣態(tài)向固體樣態(tài)轉(zhuǎn)變的能力。

●流變測試：揭示了PAMs在振幅掃描和頻率掃描條件下的存儲(chǔ)模量、損耗模量和復(fù)數(shù)粘度的變化規(guī)律。


△PAM 的剪切和流變學(xué)測試

此外，研究者還運(yùn)用了水平集離散元法（LS-DEM）對(duì)PAMs的動(dòng)態(tài)接觸鏈進(jìn)行了仿真，以量化粒子間相互作用的影響。對(duì)于微尺度上的PAMs，研究者通過施加電場驗(yàn)證了它們快速且可逆地適應(yīng)形狀變化的能力。

研究結(jié)果
研究發(fā)現(xiàn)，PAMs擁有獨(dú)特的機(jī)械特性，能夠在不同的加載條件下展現(xiàn)出流體樣的和固體樣的雙重行為。具體來說：

●在小外部載荷作用下，PAMs表現(xiàn)得像非牛頓流體，顯示出剪切稀化和剪切增稠的響應(yīng)。

●在較大應(yīng)變下，PAMs則類似晶格和泡沫，呈現(xiàn)出非線性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

●PAMs可以在循環(huán)加載過程中保持韌性，并且具有可調(diào)節(jié)的能量吸收能力。

●通過調(diào)整粒子間的互鎖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和幾何形狀，可以編程設(shè)定PAMs的關(guān)鍵屈服應(yīng)變點(diǎn)。

●微米尺度上的PAMs能夠響應(yīng)靜電荷迅速改變形狀。


△PAMs 的尺度獨(dú)立性和微米尺度下PAMs的靜電驅(qū)動(dòng)

展望
PAMs是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新材料類型，可以根據(jù)需要調(diào)整機(jī)械性能，適用于多種場合，比如作為刺激響應(yīng)材料用于智能設(shè)備、作為高效能量吸收系統(tǒng)保護(hù)易損物品、或者作為可變形結(jié)構(gòu)應(yīng)用于自適應(yīng)建筑。研究者表示，未來的工作將集中在進(jìn)一步優(yōu)化PAMs的設(shè)計(jì)，提高其性能，擴(kuò)大其應(yīng)用場景，并探索其他潛在的物理化學(xué)特性。


原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9713