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在超材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域，游戲規(guī)則一直是“越強(qiáng)越好”。

超材料是一類(lèi)具有微觀結(jié)構(gòu)的合成材料，其賦予整體材料卓越的性能。過(guò)去，研發(fā)重點(diǎn)大多放在設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)超材料更堅(jiān)固、更堅(jiān)硬的產(chǎn)品上。然而，這里存在一個(gè)矛盾點(diǎn)：材料越硬，柔韌性往往就越差

如今，麻省理工學(xué)院的工程師們成功找到了一種方法，能讓超材料既堅(jiān)固又有彈性。通常情況下，基礎(chǔ)材料高度剛性且易碎，但通過(guò)以精確、復(fù)雜的圖案進(jìn)行印刷，就能形成兼具堅(jiān)固性與柔韌性的結(jié)構(gòu)。

這種新材料的雙重特性關(guān)鍵在于其結(jié)合了堅(jiān)硬的微觀支撐結(jié)構(gòu)和柔軟的編織架構(gòu)。這種微觀的“雙重網(wǎng)絡(luò)”是通過(guò)一種類(lèi)似有機(jī)玻璃的聚合物打印而成，能夠制造出一種材料，使其在不完全斷裂的情況下可以拉伸至其原始尺寸的四倍以上。相比之下，其他形式的聚合物幾乎沒(méi)有伸展性，一旦出現(xiàn)裂痕就會(huì)很容易碎裂。

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研究人員表示，這種新的雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可應(yīng)用于其他材料，比如制造彈性陶瓷、玻璃和金屬。這種堅(jiān)韌且可彎曲的材料，能用于制作抗撕裂紡織品、柔性半導(dǎo)體、電子芯片封裝，還能制成耐用且適配性好的支架，用于培養(yǎng)細(xì)胞以進(jìn)行組織修復(fù)。

“我們正在為超材料開(kāi)拓新的領(lǐng)域，”麻省理工學(xué)院副教授 Carlos Portela 說(shuō)道，“你可以打印雙網(wǎng)金屬或陶瓷，這樣能獲得諸多優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠茐乃鼈冃枰母嗄芰?，而且它們的拉伸性能也要好得多?！?/p>

Portela 及其同事于近日在Nature Materials雜志上發(fā)表了這一研究成果。其他作者包括 James Utama Surjadi，以及 Bastien Aymon 和 Molly Carton。

靈感源自水凝膠

與其他研究小組一樣，Portela 和他的同事通常會(huì)使用類(lèi)似有機(jī)玻璃和陶瓷的傳統(tǒng)聚合物，采用打印或納米加工微觀晶格的方式來(lái)設(shè)計(jì)超材料。他們打印的特定圖案或結(jié)構(gòu)，能賦予最終的超材料非凡的強(qiáng)度和抗沖擊性。

幾年前，Portela 突發(fā)奇想，超材料能否由本身剛性的材料制成，但通過(guò)某種圖案設(shè)計(jì)，使其變得更柔軟、更具彈性呢？

“我們意識(shí)到，超材料領(lǐng)域此前并未真正嘗試在軟物質(zhì)領(lǐng)域發(fā)揮影響，”他說(shuō)，“到目前為止，大家都在尋找盡可能堅(jiān)硬、最堅(jiān)固的材料?！?/p>

于是，他開(kāi)始探尋合成更柔軟、更有彈性超材料的方法。他和團(tuán)隊(duì)沒(méi)有像傳統(tǒng)基于晶格的超材料那樣打印微觀支柱，而是制作了一種相互交織的彈簧或線圈組成的結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，雖然使用的材料本身和有機(jī)玻璃一樣堅(jiān)硬，但最終編織出的超材料卻像橡膠一樣柔軟且富有彈性。

“它們彈性十足，但過(guò)于柔軟、順應(yīng)性太強(qiáng)了?！盤(pán)ortela 回憶道。

在尋找增強(qiáng)其較軟超材料體積的方法時(shí)，團(tuán)隊(duì)從一種截然不同的材料——水凝膠中獲得了靈感。水凝膠是一種柔軟、有彈性、類(lèi)似果凍的材料，主要由水和少量聚合物結(jié)構(gòu)組成。包括麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的研究人員，已經(jīng)找到了制造既柔軟有彈性又堅(jiān)韌的水凝膠的方法。他們通過(guò)組合具有顯著差異特性的聚合物網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，比如讓天然堅(jiān)硬的分子網(wǎng)絡(luò)與本質(zhì)柔軟的分子網(wǎng)絡(luò)發(fā)生化學(xué)交聯(lián)。Portela 和他的同事由此想到，這種雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)能否應(yīng)用于超材料呢？

“那一刻，我們靈感迸發(fā)，”P(pán)ortela 說(shuō)，“我們心想：能不能從這些水凝膠中獲取靈感，創(chuàng)造出兼具剛度和彈性特性的超材料呢？”

雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)打造“剛?cè)岵?jì)”超材料

在新研究中，團(tuán)隊(duì)通過(guò)結(jié)合兩種微觀結(jié)構(gòu)制造出一種超材料。第一種是由支柱和桁架組成的剛性網(wǎng)格狀框架，第二種是圍繞每個(gè)支柱和桁架編織的線圈結(jié)構(gòu)。這兩種網(wǎng)絡(luò)均由相同的丙烯酸塑料制成，并采用一種名為雙光子光刻的高精度激光打印技術(shù)一次性打印完成。

研究人員打印出這種新型雙網(wǎng)絡(luò)超材料樣品，每個(gè)樣品的尺寸從幾平方微米到幾平方毫米不等。他們對(duì)材料進(jìn)行了一系列壓力測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中，將樣品的兩端分別連接到專(zhuān)門(mén)的納米機(jī)械壓力機(jī)上，測(cè)量將材料拉開(kāi)所需的力。同時(shí)，他們還錄制了高分辨率視頻，用于觀察材料在拉伸和撕裂時(shí)的具體位置及方式。

他們發(fā)現(xiàn)，這種新型雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)能夠拉伸至自身長(zhǎng)度的三倍，相比使用相同丙烯酸塑料打印的傳統(tǒng)格子圖案超材料，拉伸長(zhǎng)度恰好是其 10 倍。Portela 表示，新材料的拉伸抗性源于材料剛性支柱，與材料受應(yīng)力拉扯時(shí)較為雜亂的盤(pán)繞編織結(jié)構(gòu)之間的相互作用。

“可以把這個(gè)編織網(wǎng)絡(luò)想象成纏在格子上的一團(tuán)意大利面條。當(dāng)整體晶格網(wǎng)絡(luò)破裂時(shí)，破損部分會(huì)牽動(dòng)周?chē)?，此時(shí)這些‘意大利面條’就會(huì)與晶格碎片糾纏在一起，”P(pán)ortela 解釋道，“這會(huì)促使編織纖維之間產(chǎn)生更多纏結(jié)，意味著有更多摩擦和能量耗散?！?/p>

換句話說(shuō)，由于開(kāi)裂的支柱會(huì)引發(fā)多處纏結(jié)，纏繞在材料剛性晶格上的較軟結(jié)構(gòu)就能承受更大應(yīng)力。因?yàn)檫@種應(yīng)力在材料中分布并不均勻，所以最初出現(xiàn)的裂紋不太可能直接貫穿材料并使其迅速撕裂。更重要的是，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，如果在超材料中設(shè)置一些特定的漏洞或“缺陷”，還能進(jìn)一步分散材料所承受的應(yīng)力，使其更具彈性，更耐撕裂。

“你可能覺(jué)得這樣會(huì)讓材料性能變差，”該研究的合著者 Surjadi 說(shuō)，“但我們發(fā)現(xiàn)，一旦開(kāi)始添加這些缺陷，材料的拉伸量增加了一倍，耗散的能量更是增加了三倍。這讓我們得到了一種既堅(jiān)硬又堅(jiān)韌的材料，而這兩種特性通常是相互矛盾的。”

團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一個(gè)計(jì)算框架，能幫助工程師根據(jù)剛性和彈性網(wǎng)絡(luò)模式，預(yù)估超材料的性能。他們認(rèn)為，這樣的設(shè)計(jì)藍(lán)圖將有助于設(shè)計(jì)防撕裂紡織品和織物。

“我們還想在更脆的材料上嘗試這種方法，賦予它們更多功能，”P(pán)ortela 說(shuō)，“目前我們討論的主要是機(jī)械性能，但如果能讓材料導(dǎo)電或?qū)囟犬a(chǎn)生響應(yīng)呢？為此，可以用不同的聚合物制作這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，使其對(duì)溫度有不同的響應(yīng)。這樣一來(lái)，織物就能在溫度變化時(shí)，實(shí)現(xiàn)孔隙開(kāi)合，或者在溫暖時(shí)更柔順，寒冷時(shí)更堅(jiān)硬。這是我們接下來(lái)可以探索的方向?！?/p>

https://news.mit.edu/2025/mit-engineers-print-synthetic-metamaterials-strong-and-stretchy-0423