3D打印多連環(huán)構架材料（PAM）登上Science封面，展現(xiàn)流體-固體雙重特性

2025年1月，南極熊獲悉，來自美國加州理工學院的研究者們一種新的材料類別——多連環(huán)構架材料（polycatenated architected materials, PAMs），它由離散的互鎖環(huán)或籠狀粒子組成，形成3D結構，為開發(fā)刺激響應材料、能量吸收系統(tǒng)和變形建筑提供了可能性。在整個研究過程腫，研究人員使用3D打印技術制造了不同的不同類型的PAMs樣本，精確地控制粒子的形狀、大小以及它們的空間排列。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在Science上，并登上了Science封面，研究題目為3D polycatenated architected materials（三維多鏈結構材料）。



研究背景
傳統(tǒng)構架材料（architected materials）是通過設計其內部結構元素的幾何排列來獲得特定性能的一類材料。這些材料的設計依賴于連續(xù)結構組分來控制整體的機械行為，通常包括剛性連接的桁架、板或殼基格子結構。它們可以從周期性重復的單元胞或無序架構中獲取有效的整體性質，并能表現(xiàn)出高強度和輕量化、負泊松比等關鍵特性。



然而，這類材料在缺乏邊界約束時往往缺乏“凝聚力”，因為顆粒之間沒有粘合劑連接，因此在張力下不會提供阻力。此外，鏈甲等二維互鎖織物可以支持可調的剛度和可控的形態(tài)變化，但三維拓撲互鎖結構尚未被充分探索研究。

美國加州理工學院的此次研究介紹了一種新的材料類別——多連環(huán)構架材料（polycatenated architected materials, PAMs），由離散的互鎖環(huán)或籠狀粒子組成，形成3D網(wǎng)狀結構。PAMs能夠展示出非牛頓流體的行為，如剪切稀化和剪切增稠反應，同時在大應變條件下表現(xiàn)出類似于晶格和泡沫的非線性應力-應變關系。在微尺度上，PAMs還能響應靜電荷改變形狀。這種新型材料為開發(fā)刺激響應材料、能量吸收系統(tǒng)和變形建筑提供了可能性。

研究內容
研究團隊提出了一個通用的設計框架，能夠將任意晶體網(wǎng)絡轉換成粒子互鎖及幾何形狀，從而創(chuàng)建了3D PAMs。這個過程涉及以下步驟：


△PAM 的設計策略

●從連續(xù)圖拓撲到PAM的轉換：選擇一個晶體網(wǎng)絡，識別節(jié)點對稱性并與具有相應對稱性的粒子對齊，然后使這些粒子與相鄰粒子相互連接，復制原始網(wǎng)絡連接。

●基于指定粒子幾何形狀生成3D PAM：根據(jù)給定粒子形狀（例如立方八面體）的多個對稱軸，利用這些互鎖環(huán)境單獨或組合使用，創(chuàng)造出不同全球拓撲結構的PAMs。

●命名方案：為了便于識別，采用了三部分命名法X-n-abc，其中“X”表示網(wǎng)絡拓撲，“n”表示每個粒子的互鎖數(shù)量，“abc”表示粒子形狀。

研究人員進行了機械表征實驗，包括準靜態(tài)單軸壓縮測試、簡單剪切測試和流變測試。他們觀察到了PAMs的非線性應力-應變行為、加載卸載滯后現(xiàn)象以及能量吸收特性。

增材制造技術助力新材料開發(fā)
在研究過程中，為了制造多連環(huán)構架材料，研究人員采用了增材制造，即3D打印，來構建這些復雜的三維互鎖結構。具體來說，研究團隊設計并3D打印了不同類型的PAMs樣本，包括宏觀和微觀尺度上的樣本。3D打印使得能夠精確地控制粒子的形狀、大小以及它們的空間排列，這對于實現(xiàn)所需的機械性能至關重要。此外，對于微尺度的PAMs，研究者還展示了其在施加靜電荷后能夠迅速且可逆地改變形狀的能力。這表明3D打印不僅有助于創(chuàng)建這些復雜結構，而且對于探索材料在不同條件下的響應行為也非常重要。總而言之，3D打印技術在這項研究中起到了關鍵作用，它為科學家們提供了一種靈活且高效的方法來生成和測試新型構架材料。


研究方法
該研究使用了增材制造技術制作了PAMs樣品，并選擇了八種代表性的PAMs進行分析。為了理解PAMs的力學響應特性，研究者們進行了以下幾種實驗：


△PAM 的重力誘導松弛和單軸壓縮

●單軸壓縮測試：用于評估PAMs在不同方向上的松弛行為及其非線性應力-應變特性。

●簡單剪切測試：展示了PAMs從流體樣態(tài)向固體樣態(tài)轉變的能力。

●流變測試：揭示了PAMs在振幅掃描和頻率掃描條件下的存儲模量、損耗模量和復數(shù)粘度的變化規(guī)律。


△PAM 的剪切和流變學測試

此外，研究者還運用了水平集離散元法（LS-DEM）對PAMs的動態(tài)接觸鏈進行了仿真，以量化粒子間相互作用的影響。對于微尺度上的PAMs，研究者通過施加電場驗證了它們快速且可逆地適應形狀變化的能力。

研究結果
研究發(fā)現(xiàn)，PAMs擁有獨特的機械特性，能夠在不同的加載條件下展現(xiàn)出流體樣的和固體樣的雙重行為。具體來說：

●在小外部載荷作用下，PAMs表現(xiàn)得像非牛頓流體，顯示出剪切稀化和剪切增稠的響應。

●在較大應變下，PAMs則類似晶格和泡沫，呈現(xiàn)出非線性的應力-應變關系。

●PAMs可以在循環(huán)加載過程中保持韌性，并且具有可調節(jié)的能量吸收能力。

●通過調整粒子間的互鎖拓撲結構和幾何形狀，可以編程設定PAMs的關鍵屈服應變點。

●微米尺度上的PAMs能夠響應靜電荷迅速改變形狀。


△PAMs 的尺度獨立性和微米尺度下PAMs的靜電驅動

展望
PAMs是一種具有廣闊應用前景的新材料類型，可以根據(jù)需要調整機械性能，適用于多種場合，比如作為刺激響應材料用于智能設備、作為高效能量吸收系統(tǒng)保護易損物品、或者作為可變形結構應用于自適應建筑。研究者表示，未來的工作將集中在進一步優(yōu)化PAMs的設計，提高其性能，擴大其應用場景，并探索其他潛在的物理化學特性。


原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9713