副標(biāo)題：3D多鏈結(jié)構(gòu)化材料 不多說(shuō)，直接上封面圖。

看完封面，各位讀者應(yīng)該就會(huì)明白這種由美國(guó)加州理工學(xué)院Chiara Daraio、Wenjie Zhou及勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Xiaoxing Xia等研究者發(fā)明的“多鏈結(jié)構(gòu)化材料（polycatenated architected material, PAM）”的大體設(shè)計(jì)思路——將多個(gè)單元按照一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)鏈接起來(lái)。這就像是古代戰(zhàn)士常穿的鎖子甲，不過(guò)是3D版本的鎖子甲。 有意思的是，這并非是Chiara Daraio教授課題組首次借用“鎖子甲”的理念來(lái)設(shè)計(jì)能登上頂刊的新材料。2021年，他們?cè)贜ature 上報(bào)道了一種神似鎖子甲的機(jī)械性能可調(diào)智能織物（Nature,2021, 596, 238, 點(diǎn)擊閱讀詳細(xì)）。不受力的狀態(tài)下，這種織物就像普通布料一樣柔軟；但在施加壓力下，織物中三維結(jié)構(gòu)顆粒單元會(huì)互鎖并卡住，使得織物由軟變硬，并可承擔(dān)一定的負(fù)載。這種變化完全可逆，也就是說(shuō)，壓力撤去之后，織物又可恢復(fù)柔性狀態(tài)。與鎖子甲由無(wú)數(shù)小環(huán)鏈接而成不同，他們的智能織物由八面體顆粒單元間形成多點(diǎn)互鎖。

機(jī)械性能可調(diào)的智能織物。圖片來(lái)源：Nature 大家都知道，結(jié)構(gòu)化材料的性質(zhì)源于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元的幾何排列，材料整體的力學(xué)行為受到連續(xù)結(jié)構(gòu)單元網(wǎng)絡(luò)的控制。那么，本文關(guān)注的PAM，結(jié)構(gòu)具體如何設(shè)計(jì)？材料又有什么樣的有趣性質(zhì)？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這種PAM可以看作是一種由多個(gè)環(huán)或籠狀顆?；ユi連接而成的3D網(wǎng)絡(luò)。研究者提出了一個(gè)通用的設(shè)計(jì)框架，可將任意一種晶體網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為此種顆粒連接和幾何形狀。在響應(yīng)較小的外部載荷時(shí)，PAM表現(xiàn)得像非牛頓流體，具有剪切稀化和剪切稠化的響應(yīng)，這可以通過(guò)其連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)控制。而在較大的應(yīng)變下，PAM表現(xiàn)得像晶格固體材料，展現(xiàn)出非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。有意思的是，在微觀尺度上，PAM可以改變其形狀以響應(yīng)施加的靜電荷。該材料的這些獨(dú)特性質(zhì)為開(kāi)發(fā)刺激響應(yīng)材料、能量吸收系統(tǒng)和變形結(jié)構(gòu)鋪平了道路。

PAM的設(shè)計(jì)策略。圖片來(lái)源：Science 傳統(tǒng)的晶格結(jié)構(gòu)可以映射成由節(jié)點(diǎn)和連接組成的連續(xù)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)（上圖A）。PAM的設(shè)計(jì)策略從選定晶體網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始，研究者創(chuàng)建了周期性糾纏的環(huán)形、多邊形或多面體籠狀顆粒，作為PAM的結(jié)構(gòu)單元。首先識(shí)別連續(xù)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)對(duì)稱性，并將其與具有這些對(duì)稱性的顆粒對(duì)應(yīng)（上圖B）。相鄰顆粒相互連接，復(fù)制原始的網(wǎng)絡(luò)連接（上圖A至C），如此以來(lái)，晶體晶格拓?fù)渚涂梢赞D(zhuǎn)移至PAM。單個(gè)節(jié)點(diǎn)可以使用各種形狀的顆粒來(lái)表示，例如多面體、多邊形簇或環(huán)面簇（上圖D）。根據(jù)組成單元的性質(zhì)不同，所得到的多鏈體系結(jié)構(gòu)的拓?fù)湟膊煌ㄉ蠄DE）。給定的顆粒形狀（例如立方體（CO））可以表現(xiàn)出多個(gè)對(duì)稱軸（上圖F），這意味著多種潛在的連接環(huán)境（上圖G至I）。通過(guò)單獨(dú)或組合利用這些連接，就可以創(chuàng)建各種PAM（上圖J至M），每個(gè)PAM都有自己的全局拓?fù)?。為了便于識(shí)別，研究者使用了一個(gè)三部分命名方案，X-n-abc，其中“X”表示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌皀”表示每個(gè)顆粒的連接數(shù)，“abc”表示顆粒形狀。例如，D-4-TET（上圖C）表示由四面體（TET）組成的多鏈dia網(wǎng)絡(luò)（D），每個(gè)四面體與四個(gè)相鄰顆粒角對(duì)角互鎖（4）。

重力的影響及單軸壓縮測(cè)試。圖片來(lái)源：Science 研究者使用包括丙烯酸聚合物、尼龍和金屬在內(nèi)的多種材料，3D打印出這些PAM結(jié)構(gòu)，大多數(shù)原型都是邊長(zhǎng)5厘米左右的立方體或直徑5厘米的球體。隨后，研究者進(jìn)行了各種測(cè)試，來(lái)了解PAM的機(jī)械性能。“我們從壓縮開(kāi)始，”Wenjie Zhou博士解釋，“然后我們嘗試了簡(jiǎn)單的剪切，施加一個(gè)橫向力，就像你試圖撕裂材料時(shí)所做的那樣。最后，我們做了流變學(xué)測(cè)試，看看材料對(duì)扭曲的反應(yīng)，首先是緩慢的，然后是更快、更強(qiáng)的?！痹谀承┣闆r下，這些PAM表現(xiàn)得像液體?！跋胂笠幌聦?duì)水施加剪切應(yīng)力，”Wenjie Zhou博士說(shuō)。“不會(huì)有任何阻力。PAM的環(huán)和籠組成單元相互滑動(dòng)，因此許多PAM具有很小的剪切阻力?！钡?dāng)這些結(jié)構(gòu)被壓縮時(shí)，它們可能會(huì)變得完全剛性，表現(xiàn)得像固體一樣。[1]

剪切和流變學(xué)測(cè)試。圖片來(lái)源：Science 更有意思的是，這種設(shè)計(jì)策略與結(jié)構(gòu)單元的尺寸無(wú)關(guān)，即便將邊長(zhǎng)從24毫米縮小至400微米，所得到的微型PAM表現(xiàn)出與前文厘米級(jí)PAM相同的力學(xué)響應(yīng)。此外，微型PAM可以響應(yīng)施加的靜電荷并改變形狀。這些有趣的性質(zhì)表明，此種PAM在生物醫(yī)學(xué)設(shè)備或軟體機(jī)器人領(lǐng)域有著不錯(cuò)的應(yīng)用潛力。

PAM設(shè)計(jì)策略與尺寸無(wú)關(guān)以及靜電驅(qū)動(dòng)的微型PAM。圖片來(lái)源：Science

“在過(guò)去的20到30年里，結(jié)構(gòu)化材料一直是材料科學(xué)和工程領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，”Daraio教授說(shuō)，“不過(guò)，作為顆粒材料和彈性可變形材料的混合體，PAM是令人興奮的新材料?！蹦壳?，PAM的潛在應(yīng)用在很大程度上只能推測(cè)，但仍然很有吸引力。Daraio教授表示：“這種材料具有獨(dú)特的能量吸收性質(zhì)。每個(gè)結(jié)構(gòu)單元都可以滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和相互重組，因此它們可以非常有效地耗散能量。”它們比目前廣泛使用的泡沫材料更適合用于頭盔或其他形式的防護(hù)裝備，同樣的，它們?cè)诎b材料或任何需要緩沖的環(huán)境中同樣具有吸引力