副標題：3D多鏈結(jié)構(gòu)化材料 不多說，直接上封面圖。

看完封面，各位讀者應(yīng)該就會明白這種由美國加州理工學院Chiara Daraio、Wenjie Zhou及勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室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)計思路——將多個單元按照一定拓撲結(jié)構(gòu)鏈接起來。這就像是古代戰(zhàn)士常穿的鎖子甲，不過是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”的理念來設(shè)計能登上頂刊的新材料。2021年，他們在Nature 上報道了一種神似鎖子甲的機械性能可調(diào)智能織物（Nature,2021, 596, 238, 點擊閱讀詳細）。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)顆粒單元會互鎖并卡住，使得織物由軟變硬，并可承擔一定的負載。這種變化完全可逆，也就是說，壓力撤去之后，織物又可恢復(fù)柔性狀態(tài)。與鎖子甲由無數(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互鎖。

機械性能可調(diào)的智能織物。圖片來源：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？材料又有什么樣的有趣性質(zhì)？簡單來說，這種PAM可以看作是一種由多個環(huán)或籠狀顆粒互鎖連接而成的3D網(wǎng)絡(luò)。研究者提出了一個通用的設(shè)計框架，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，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)，這可以通過其連接拓撲結(jié)構(gòu)來控制。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。該材料的這些獨特性質(zhì)為開發(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)計策略。圖片來源：Science 傳統(tǒng)的晶格結(jié)構(gòu)可以映射成由節(jié)點和連接組成的連續(xù)拓撲網(wǎng)絡(luò)（上圖A）。PAM的設(shè)計策略從選定晶體網(wǎng)絡(luò)開始，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。首先識別連續(xù)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點對稱性，并將其與具有這些對稱性的顆粒對應(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，晶體晶格拓撲就可以轉(zhuǎn)移至PAM。單個節(jié)點可以使用各種形狀的顆粒來表示，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)的拓撲也不同（上圖E）。給定的顆粒形狀（例如立方體（CO））可以表現(xiàn)出多個對稱軸（上圖F），這意味著多種潛在的連接環(huán)境（上圖G至I）。通過單獨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PAM都有自己的全局拓撲。為了便于識別，研究者使用了一個三部分命名方案，X-n-abc，其中“X”表示網(wǎng)絡(luò)拓撲，“n”表示每個顆粒的連接數(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），每個四面體與四個相鄰顆粒角對角互鎖（4）。

重力的影響及單軸壓縮測試。圖片來源：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5厘米左右的立方體或直徑5厘米的球體。隨后，研究者進行了各種測試，來了解PAM的機械性能。“我們從壓縮開始，”Wenjie Zhou博士解釋，“然后我們嘗試了簡單的剪切，施加一個橫向力，就像你試圖撕裂材料時所做的那樣。最后，我們做了流變學測試，看看材料對扭曲的反應(yīng)，首先是緩慢的，然后是更快、更強的。”在某些情況下，這些PAM表現(xiàn)得像液體。“想象一下對水施加剪切應(yīng)力，”Wenjie Zhou博士說。“不會有任何阻力。PAM的環(huán)和籠組成單元相互滑動，因此許多PAM具有很小的剪切阻力。”但當這些結(jié)構(gòu)被壓縮時，它們可能會變得完全剛性，表現(xiàn)得像固體一樣。[1]

剪切和流變學測試。圖片來源：Science 更有意思的是，這種設(shè)計策略與結(jié)構(gòu)單元的尺寸無關(guān)，即便將邊長從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PAM相同的力學響應(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)學設(shè)備或軟體機器人領(lǐng)域有著不錯的應(yīng)用潛力。

PAM設(shè)計策略與尺寸無關(guān)以及靜電驅(qū)動的微型PAM。圖片來源：Science

“在過去的20到30年里，結(jié)構(gòu)化材料一直是材料科學和工程領(lǐng)域的一個重要分支，”Daraio教授說，“不過，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。”目前，PAM的潛在應(yīng)用在很大程度上只能推測，但仍然很有吸引力。Daraio教授表示：“這種材料具有獨特的能量吸收性質(zhì)。每個結(jié)構(gòu)單元都可以滑動、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裝備，同樣的，它們在包裝材料或任何需要緩沖的環(huán)境中同樣具有吸引力