3D打印再次登上Science封面！加州理工重新织造锁子甲：让液态和固态界限消失的超级结构

AM易道导语

振奋人心的消息！

3D打印技术再次突破创新边界，在2025年伊始就为我们带来重磅成果—重新诠释了拥有千年历史的锁子甲，这一古老而智慧的防护装备概念。

加州理工学院研究团队开发的革命性材料PAM（多联结构造材料）以其惊人的创新登上了《Science》杂志封面！

这项开创性的研究是由一个强大的跨机构团队完成的。

除了加州理工的团队，研究还得到了劳伦斯利弗莫尔国家实验室以及普林斯顿大学等研究人员的贡献， 多学科合作为研究带来了独特的视角和创新思维。

编者按：本文仅仅是对《Science》最新研究成果的初步解读，AM易道将在后续文章中为读者深入剖析论文正文中的技术细节，敬请期待。

什么是3D打印多联结构造材料？

一种3D打印的结构/材料既能像液体般流动，又能在需要时表现出坚固的特性，这正是这项突破性研究带给我们的惊喜。

加州理工学院的研究团队通过创造性地运用3D打印技术，将古老锁子甲的设计智慧提升到了一个全新的科技高度，开发出了这种称为多联结构造材料（Polycatenated Architected Materials，简称PAM）的革命性结构。

这项成果不仅打破了传统物质分类的界限，更为材料科学开辟了令人振奋的新方向。

论文提供了丰富的图片和视频资料，让我们一起来了解这项突破性研究的细节。

图S1展示了一个令人印象深刻的PAM材料库，这些材料都由单一类型的粒子构成。

通过不同的颜色标识，研究人员巧妙地突出了局部结构特征，包括粒子几何形状、方向和连接类型，这张图的这些细节在视觉上可能较难区分。

突破传统的新型物质形态

在传统认知中，物质形态通常可以明确地分为固态晶体材料和颗粒物质两大类。

固态晶体材料以经典的球棒模型为代表，构成了我们对固态物质的基本认识；

而颗粒物质则如大米、面粉或咖啡粉，由独立的颗粒自由移动组成。

然而研究团队开发的PAM材料不仅打破了这一二元分类，更重要的是建立了一个通用的设计框架，能够将任意晶体网络转换为颗粒连接和几何结构，为材料设计开辟了全新思路。

这种方法的普适性使得研究人员能够根据需要设计出具有特定性能的PAM结构。

图S2生动展示了PAM材料的结构可调性。

通过调节具有相同拓扑结构的PAM的粒子几何形状，研究人员实现了从角对角锁定到面对面锁定或边对边锁定的转变。

更令人惊叹的是，他们还展示了如何将多个粒子替换为单个粒子的几何转换过程。

这种新型材料的灵感来源于具有千年历史的锁子甲。

它不仅仅是简单地将金属环连接成网状结构，而是通过3D打印技术，创造出各种形状的基本单元，并将它们以三维方式相互连接，形成了具有前所未有变化可能性的结构。

从分子尺度到宏观实现

文章第一作者Wenjie Zhou最初试图在分子尺度上构建这种结构。

"作为一名化学家，我原本想在分子尺度上制造这些结构，但那证明太具有挑战性了。"

为了解答关于这些结构行为的疑问，他选择加入Daraio的团队，在更大尺度上研究PAM材料。

研究团队首先通过计算机建模设计PAM结构，模仿晶体物质中的晶格结构，但将固定粒子替换为具有多个面的纠缠环或笼。

图S4详细展示了不同PAM结构的连接构型和制造过程，包括具有平面配位数4的J-4-ring和J-4-square，以及具有平面配位数6的T-6-ring和T-6-HEX等多种结构。

上面的视频S6、S7、S8展示了PAM结构的多样性和可变性：具有S-6/2拓扑结构但不同粒子几何形状的PAM，以及J-4-square结构的两种稳定构型及其之间的转换过程。

视频S5则通过计算机模拟展示了球形J-4-ring PAM在重力作用下的变形过程，这与实际观察到的行为高度一致。

研究团队使用丙烯酸聚合物、尼龙和金属等多种材料，通过3D打印技术制造出这些结构。

图S19展示了使用粉末激光烧结技术（SLS）制造的不同材料组成的PAM，这种方法特别适合于无支撑结构的制造。大多数原型都是5厘米（2英寸）的立方体或球体，可以轻松握在手中。

图S3展示了在重力作用下PAM的松弛行为，包括由540个环形粒子组成的立方体和由9414个环形粒子组成的球体。

在规则排列状态下，结构无法塞入杯中，而在松弛状态下，提及缩小，可以轻松塞入杯中。

独特的物理性能

这些PAM材料展现出令人惊讶的物理特性。

研究团队对这些材料进行了全面的物理性能测试，包括压缩测试、简单剪切测试和流变学测试，观察材料在不同速度和强度下的扭转响应。

图S5展示了研究团队设计的一系列机械性能表征实验装置，包括单轴压缩测试、流变测试和剪切测试设备。

在较小的外部负载下，它们表现出非牛顿流体的特性，既能显示剪切变稀（随着剪切应力增加，黏度降低）又能显示剪切增稠（随着剪切应力增加，黏度增加）的响应，这种行为可以通过它们的连接拓扑结构来控制。

视频S1-S4生动展示了这些独特的力学行为，包括固化与常规J-4-ring PAM的对比、压缩测试（50倍速）、简单剪切测试（20倍速）和流变测试（20倍速）。

图S8记录了J-4-ring PAM在不同初始构型下的单轴压缩加载过程中的力-位移响应，清楚地展示了不同构型（直立、随机、剪切和扭转排列）对全局力-位移行为的影响。

而在较大应变下，它们则表现得像晶格和泡沫材料一样，呈现非线性应力-应变关系。

图S15展示了J-4-ring和T-6-ring PAM的最大临界剪切卡死应变，这种可调控性使得材料设计师能够根据具体应用需求来调节材料的机械响应。

Zhou解释说："就像对水施加剪切应力一样，基本没有阻力。

由于PAM具有所有这些协调的自由度，其中的环和笼可以像链条一样相互滑动，许多PAM具有很小的剪切阻力。"

更令人惊喜的是，在微观尺度上，这些PAM还能对电荷产生响应，展现出收缩或伸展的能力。

图S17展示了微观PAM（μ-PAM）的制造和静电重构过程，包括设计、双光子光刻和等离子体刻蚀过程，以及将铜镀层的μ-PAM样品附着在ITO涂层玻璃基板上，放置在范德格拉夫发生器上方的过程。

视频S9实时展示了μ-PAM在范德格拉夫发生器上的静电重构效果。

广阔的应用前景

PAM材料的独特性能为其带来了广泛的潜在应用可能。

由于每个结构单元都能滑动、旋转和重新组织，这些材料表现出极高的能量耗散效率，这使它们在防护装备领域具有巨大潜力。

相比目前使用的泡沫材料，PAM可能成为头盔等防护装备的更好选择。

在生物医疗和软体机器人领域，微观尺度PAM对电荷的响应特性也开启了新的应用可能。

普林斯顿大学助理教授Liuchi Li对PAM的未来充满期待：

"我们可以设想结合先进的人工智能技术来加速这个庞大设计空间的探索。我们现在只是触及了可能性的表面。"

研究人员指出，PAM材料的这些独特性能为开发刺激响应材料、能量吸收系统和形态可变结构铺平了道路。

这种材料架构的设计策略使得我们能够根据需求定制机械响应，这对于开发响应型或能量吸收系统以及可变形结构具有重要意义。

特别值得注意的是，PAM在空间应用方面展现出独特的潜力。

研究团队发现这种材料可以按需弯曲以控制在特殊环境下的行为，这对于开发空间材料具有重要意义。

这项研究得到了美国多方面的大力支持，包括加州理工学院高性能计算中心提供的计算资源，以及来自陆军研究办公室、Gary Clinard创新基金、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和美国能源部的资金支持。

AM易道最后聊两句

PAM材料的成功开发不仅展示了增材制造在材料创新中的关键作用，更重要的是开创了一个全新的研究方向。

通过将传统锁子甲的设计原理与现代制造技术相结合，研究团队创造出了一种具有革命性的新型结构材料。

对于3D打印行业来说，这项研究具有重要的启发意义。

它提醒我们，3D打印技术不仅仅是一种制造工具，更是一种能够驱动基础科学研究的创新手段。

通过合理设计和精确控制，我们可以创造出具有独特性能的新型材料，这些材料可能在未来彻底改变某些领域的应用方式。

2025年伊始，这项研究登上Science封面具有标志性意义。

它预示着材料科学、增材制造和人工智能等领域的深度融合可能带来更多突破性发现。

AM易道将持续关注。

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Reference:
1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9713
2. https://techxplore.com/news/2025-01-polycatenated-architected-materials-3d.html
3. https://www.caltech.edu/about/news/reimagining-chain-mail

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