Science 封面：周文杰一作兼通讯最新成果，时隔一年再登顶刊

来源：丁香学术

本周，Science封面文章聚焦了一项材料科学的重大突破：加州理工学院团队成功研发了一种新型 3D 链状结构材料，命名为 PAM（Polycatenated Architected Material，多链连接结构化材料）。它在应力作用下展现出令人惊叹的「二重性」：既可以像液体般流动，又能在压力下如固体般坚硬。这一创新，颠覆了传统材料「晶体」或「颗粒」二分法的认知。

什么是 PAM？

你可以将 PAM 理解为一种「3D 链甲」。

在中世纪，战士们穿戴的链甲由相互连接的金属环组成，柔软但防护性极强。PAM 受这一概念启发，通过多种环形或笼状颗粒互相交织，形成稳定的三维网状结构。但不同于传统的二维链甲，PAM 独特的第三维度带来了结构设计的全新可能，其单元可以是多面体、环簇或笼状结构，实现了更复杂的力学特性。

使用材料：本工作中 PAM 样品通过高精度 3D 打印技术制造，使用了 acrylic（丙烯酸树脂）、尼龙和金属等材料，这些材料为研究团队提供了多样化的参数控制手段。值得注意的是，PAM 的很多力学性质不依赖材料本身，而来自于其独特结构设计。

这一突破性研究还融合了机械键（mechanical bond）的化学概念。研究第一作者周文杰博士在美国西北大学读博期间深受诺奖得主 Fraser Stoddart 教授的启发，将这一曾被用于化学超分子结构的设计理念，首次引入到结构化材料领域。通过这种跨领域的「嫁接」，PAM 成功实现了多链连接、自由滑动与力响应之间的巧妙平衡。

PAM 的行为特性

实验结果显示，PAM 的力学表现超越了传统材料的认知：

• 剪切应力下：PAM 的结构颗粒间发生滑动，整体表现出类似液体的行为，像蜂蜜一样能「流动」。

• 压缩应力下：这些多链颗粒被「挤压」至紧密排列，转而呈现出固体般的刚性。

此外，PAM 表现为一种独特的非牛顿流体，在不同应力条件下表现出剪切变稀和剪切增稠的特性。换句话说，当施加缓慢的剪切力时，PAM 会「变稀」、更易流动；而当受到快速剪切时，其内部的环状结构会相互「锁定」，表现出增稠效应，类似于玉米淀粉糊在剧烈搅拌时变硬的现象。这种双重流变响应在同一种材料中并不常见，展现了其复杂且可编程的动力学机制。PAM 在微观和宏观尺度上都保持一致的行为特性 —— 即便缩小到微米尺度，依然表现出同样的「流动-固化」转变。

突破传统：挑战「物质状态」的边界

在材料科学中，物质通常被划分为「晶体结构」（如钻石）和「颗粒材料」（如沙子）。晶体结构中的颗粒被固定在规则位置，而颗粒材料则由离散颗粒组成，彼此独立。

而 PAM 材料将这两种特性「糅合」在一起：

• 颗粒彼此连接，类似晶体结构；

• 颗粒间可以自由滑动，表现出类似颗粒材料的流动性。

正如 Chiara Daraio 教授所说：「PAM 是一种全新的物质形态，打破了我们对物质行为的传统分类方式。」

PAM 的静电响应：微尺度结构的形态变换

研究表明，当微尺度的 PAM（microPAM）受到静电刺激时，其结构可以克服重力，实现快速的形态变换（shape morphing）。在静电作用下，环状结构之间产生相互排斥力，使材料从「压缩状态」迅速展开并恢复到「张开状态」，这一过程在不到 0.1 秒内完成。

静电形变机制不仅展现了 PAM 材料在微观领域的高响应性，还为航空航天领域提供了启发 —— 特别是可展开结构（deployable structures）的研发。未来，这类结构有望用于太空探测设备，例如可控展开的天线和轻量化太阳能帆，实现从「收缩」到「展开」的精准控制。

PAM 设计的创新与普适性

PAM 的设计框架不仅为材料科学界提供了一种新的构建方法，还具有极高的普适性和灵活性。研究团队将晶体拓扑结构转化为三维多链网络，并通过改变环形或笼形粒子的几何形状和连接方式，实现了对材料力学性质的精确调控。

这一设计思路可与网状化学（Reticular Chemistry）的建立相类比。在网状化学中，研究人员通过节点和连接单元的化学设计构建金属有机框架（MOFs），开辟了自下而上设计材料结构的新篇章。而 PAM 的设计体系则是将这一理念延伸到力学领域，通过几何单元和拓扑连接的重新定义，构建出多样化的 3D 材料结构。正如网状化学为多孔材料的发展提供了一个统一的设计框架，PAM 的创新设计方法也为架构材料领域提供了一个通用、可扩展的理论基础和实践工具。

这种高度可编程的特性使 PAM 具有跨学科的应用潜力，为未来的智能材料、可变形结构和新型能量吸收装置提供了极大的设计自由度。

PAM 的潜在应用场景

这一创新材料在多个领域展现出巨大的应用潜力：

1. 防护装备：PAM 的高能量吸收特性，使其成为头盔、护具等防护设备理想的替代材料。

2. 柔性电子与软体机器人：PAM 材料的形变响应特性，为柔性机械臂和仿生机器人提供了新选择。

3. 生物医学器械：微观尺度的 PAM 结构在环境刺激下可以发生可控形变，有望用于智能手术工具和微型植入装置。

科研背后的故事

第一作者周文杰博士的研究历程颇具跨学科色彩。他博士期间就读于美国西北大学化学系，师从「七院院士」Chad Mirkin 教授。期间他的研究集中在几何设计驱动的纳米组装，探索如何通过多面体几何形状来编程和控制纳米颗粒的自组装过程。他的博士研究中，成功构建了 DNA 编码的准晶超结构和多种新型胶体晶体，相关成果一作发表在Science、Nature 和 Nature Materials等顶级期刊。

然而，面对纳米尺度上的现有技术瓶颈，周文杰选择「放大视角」，在机械工程领域开辟新天地。他用两年时间在 Daraio 教授的机械工程课题组，突破了「架构材料 (architected materials)」这一领域的现有框架，将博士期间积累的几何设计思维运用于宏观尺度的材料创新。他指出：「机械键的概念在分子尺度上影响深远，但我想把这种理念推广到更大尺度的材料设计中，实现从化学到力学的跨学科融合。」

未来展望

研究团队正在探索如何通过引入人工智能算法，加速 PAM 结构设计和性能优化的流程。他们希望进一步挖掘这种材料在电子系统、智能材料和形变结构中的应用潜力，为下一代智能装置带来全新的解决方案。

（据悉，2024 年 1 月 18 日，周文杰作为第一作者在Science期刊发表题为 Space-tiled colloidal crystals from DNA-forced shape-complementary polyhedra pairing. 时隔一年，再发 Science！）

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9713

审核：周文杰

图片版权：Science、图虫创意

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