副標題：3D多鏈結構化材料 不多說，直接上封面圖。

看完封面，各位讀者應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等研究者發明的“多鏈結構化材料（polycatenated architected material, PAM）”的大體設計思路——將多個單元按照一定拓撲結構鏈接起來。這就像是古代戰士常穿的鎖子甲，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智能織物（Nature,2021, 596, 238, 點擊閱讀詳細）。不受力的狀態下，這種織物就像普通布料一樣柔軟；但在施加壓力下，織物中三維結構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，織物又可恢復柔性狀態。與鎖子甲由無數小環鏈接而成不同，他們的智能織物由八面體顆粒單元間形成多點互鎖。

機械性能可調的智能織物。圖片來源：Nature 大家都知道，結構化材料的性質源于其內部結構單元的幾何排列，材料整體的力學行為受到連續結構單元網絡的控制。那么，本文關注的PAM，結構具體如何設計？材料又有什么樣的有趣性質？簡單來說，這種PAM可以看作是一種由多個環或籠狀顆粒互鎖連接而成的3D網絡。研究者提出了一個通用的設計框架，可將任意一種晶體網絡轉化為此種顆粒連接和幾何形狀。在響應較小的外部載荷時，PAM表現得像非牛頓流體，具有剪切稀化和剪切稠化的響應，這可以通過其連接拓撲結構來控制。而在較大的應變下，PAM表現得像晶格固體材料，展現出非線性應力-應變關系。有意思的是，在微觀尺度上，PAM可以改變其形狀以響應施加的靜電荷。該材料的這些獨特性質為開發刺激響應材料、能量吸收系統和變形結構鋪平了道路。

PAM的設計策略。圖片來源：Science 傳統的晶格結構可以映射成由節點和連接組成的連續拓撲網絡（上圖A）。PAM的設計策略從選定晶體網絡開始，研究者創建了周期性糾纏的環形、多邊形或多面體籠狀顆粒，作為PAM的結構單元。首先識別連續網絡中的節點對稱性，并將其與具有這些對稱性的顆粒對應（上圖B）。相鄰顆粒相互連接，復制原始的網絡連接（上圖A至C），如此以來，晶體晶格拓撲就可以轉移至PAM。單個節點可以使用各種形狀的顆粒來表示，例如多面體、多邊形簇或環面簇（上圖D）。根據組成單元的性質不同，所得到的多鏈體系結構的拓撲也不同（上圖E）。給定的顆粒形狀（例如立方體（CO））可以表現出多個對稱軸（上圖F），這意味著多種潛在的連接環境（上圖G至I）。通過單獨或組合利用這些連接，就可以創建各種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”表示網絡拓撲，“n”表示每個顆粒的連接數，“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網絡（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、尼龍和金屬在內的多種材料，3D打印出這些PAM結構，大多數原型都是邊長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，首先是緩慢的，然后是更快、更強的。”在某些情況下，這些PAM表現得像液體。“想象一下對水施加剪切應力，”Wenjie Zhou博士說。“不會有任何阻力。PAM的環和籠組成單元相互滑動，因此許多PAM具有很小的剪切阻力。”但當這些結構被壓縮時，它們可能會變得完全剛性，表現得像固體一樣。[1]

剪切和流變學測試。圖片來源：Science 更有意思的是，這種設計策略與結構單元的尺寸無關，即便將邊長從24毫米縮小至400微米，所得到的微型PAM表現出與前文厘米級PAM相同的力學響應。此外，微型PAM可以響應施加的靜電荷并改變形狀。這些有趣的性質表明，此種PAM在生物醫學設備或軟體機器人領域有著不錯的應用潛力。

PAM設計策略與尺寸無關以及靜電驅動的微型PAM。圖片來源：Science

“在過去的20到30年里，結構化材料一直是材料科學和工程領域的一個重要分支，”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。每個結構單元都可以滑動、旋轉和相互重組，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境中同樣具有吸引力