美国实验室研发出新材料：可在流体与固体状态间自由切换

IT之家 1 月 22 日消息，美国加州理工学院 Chiara Daraio 实验室的研究人员发现了一种新型材料，这种材料在应力作用下表现出独特的性质，能够在某些条件下像流体一样流动，而在其他条件下则像固体一样稳定。

据IT之家了解，这种被称为“多链架构材料”（Polycatenated Architected Materials，简称 PAMs）的创新物质，结合了流体的柔性和固体的稳定性，使其在防护装备、生物医学设备和机器人技术等多个领域具有广泛的应用潜力。

为了更好地理解这种材料，加州理工学院的研究团队首先通过计算机建模设计了 PAMs，模拟了典型晶体物质的晶格结构。然而，与具有固定粒子的传统晶体不同，PAMs 由相互缠绕的环或笼状结构组成，这使得其内部元素之间能够发生更动态的相互作用。

研究团队利用先进的 3D 打印技术，使用丙烯酸聚合物、金属等多种材料，将这一设计变为现实。他们制作了直径约 5 厘米的小型立方体或球体原型，并对其进行了多种应力测试以观察其反应。

Daraio 实验室的博士后学者周文杰（Zhou Wenjie Zhou，音译）详细描述了实验过程：“我们从压缩开始，每次逐渐增加压力。然后尝试了简单的剪切力，即施加横向力，类似于试图撕裂材料。最后，我们进行了流变学测试，观察材料在扭转作用下的反应，先缓慢扭转，然后逐渐加快和加强。”

实验结果显示，PAMs 能够根据施加的应力在流体和固体状态之间切换。周文杰解释说，在剪切应力下，PAMs 表现得像水一样“零阻力”，因为其内部组件像链条一样相互滑动；而在压缩下，这些结构则变得完全刚性，表现出固体的特性。

Chiara Daraio 将 PAMs 描述为“一种真正的新型物质”。她指出，与固体晶格或像大米、咖啡这样的颗粒材料不同，PAMs 结合了这两者的特性。PAMs 中的粒子像晶体结构一样连接，但又可以自由移动和滑动，从而形成一种能够在不同状态之间切换的动态材料。Daraio 还强调，PAMs 具有高度的可定制性：“你可以用柔软的材料或硬质材料打印它们。”她表示，通过改变形状或晶格连接方式，可以直接影响材料的行为，使其在不同条件下始终表现出流体和固体之间的过渡特性。

Daraio 进一步指出，PAMs 的研究具有重要的科学意义：“在过去的 20 到 30 年里，建构化材料一直是一个重要的子领域。”PAMs 的独特之处在于它填补了颗粒材料和弹性可变形材料之间的空白，代表了一个“令人着迷的前沿领域”，可能重新定义科学和工程中的材料分类和特性。

PAMs 的潜在应用范围广泛，但目前仍处于探索阶段。Daraio 强调了这种材料的独特性能：“这些材料具有独特的能量吸收特性。由于每个元素都可以相对滑动、旋转和重组，它们能够非常高效地耗散能量。”这一特性使其在防护装备（如头盔）和包装材料中具有超越现有泡沫材料的潜力。

此外，对 PAMs 的微观研究还表明，这种材料能够对环境刺激作出主动反应。它们在电荷和物理力的作用下会膨胀或收缩，这为其在生物医学设备和软体机器人等领域的应用提供了可能性，因为这些领域对材料的适应性要求极高。

这项研究已发表在《科学》杂志上，题为《3D 多链架构材料》。