“巨大进步”——新技术更容易制造出违反常识的材料

“拉胀”，拉伸时膨胀，压缩时收缩，这与传统的行为颇为不同。NIST的研究人员现在已经简化了使用它们的过程。

想象一下拉动一块矩形橡胶的长端。它应该变得更窄更薄。但是，如果它变得更宽更胖呢？

现在，把同样的两端推进去。如果橡胶变得更窄更薄呢？

这种违反常识的材料确实存在。它们被称为“拉胀”，它们有许多独特的特性，使它们非常适合做运动鞋鞋垫、抗炸弹建筑、汽车保险杠和服装。

尽管潜力巨大，但“拉胀”产品进入市场的速度很慢。美国国家标准与技术研究院（NIST）和芝加哥大学的研究人员希望改变这种状况。

在NPJ Computational Materials杂志上发表的一项新研究中，他们宣布他们已经开发出一种新工具，可以使设计具有“拉胀”特性的材料变得更容易、更快速。该工具是一种算法，可以精确地对辅助元件进行三维设计。

辅助设计的高级工具

“这是辅助学的巨大进步，”NIST材料研究工程师Edwin Chan说，他是这项研究的合著者。“我们实际上可以优化材料，使其具有你想要的任何特定的机械性能和行为。”

弹性材料的行为部分由泊松比来描述，它解释了当你在一个方向上拉伸或挤压材料时，材料是如何改变形状的。

大多数材料都有正的泊松比，这意味着在一个方向上挤压它们，会使它们在其他方向上变宽或变厚。拉伸它们会使它们更窄或更薄。

“拉胀”的泊松比为负值，正好相反。

当你冲压非拉胀材料时，它会变得更薄并横向膨胀。 当你冲压拉胀时，材料会聚集并宽度变窄。 在适当的情况下，这可以提供更大的抵抗力。

例如，如果你戳一个装满水的袋子，里面的水会从撞击点流出。但是，如果当你戳袋子时，袋子里充满了泡沫，那么这种材料就会变得更致密、更硬。

安全与舒适领域的潜在应用

这就是拉胀材料被考虑用于建筑和汽车的原因之一。它们有可能提供更好的保护，防止爆炸和碰撞。在运动鞋的鞋垫中，拉胀凝胶或橡胶泡沫可能会在脚撞击地面时更好地起到缓冲作用。

在服装方面，拉胀尼龙、纤维和其他合成材料可能比传统材料更舒适。由于它们在拉伸时变宽，因此更有效地将压力分散到全身，潜在地缓解背部、关节、颈部或肩部的压力。一项关于在胸罩带中使用拉胀材料的研究发现，“拉胀聚酯和尼龙结构表现出显著的压力分布能力。”

由NIH和芝加哥大学科学家设计的设计工具是一种“反向设计”算法，这意味着用户可以输入他们所需的拉胀材料的泊松比值。 然后，该算法为材料提出优化的结构。 

表达泊松比的另一种方式是，它描述了当其中一个变化时形状和体积之间的关系。 新算法允许微调这种关系，以创建以自然界中找不到的方式表现的拉胀材料。

NIST材料研究工程师Marcos Reyes-Martinez说：“我们的研究是理论、实验和计算科学共同努力实现新事物的一个美丽例子。找到一种让拉胀材料变得更好的方法，将使它们在我们的日常生活中变得更加普遍。”

研究人员为该算法以及基本方法及其使用3D打印的实现申请了专利。

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！