科技日報記者 張夢然

美國麻省理工學(xué)院團(tuán)隊開發(fā)出一種制造既堅固又有彈性的超材料的方法。這種材料通常非常堅硬且易碎，但通過打印出精確復(fù)雜的圖案，可以形成既堅固又靈活的結(jié)構(gòu)。這項研究成果發(fā)表在最新一期《自然·材料學(xué)》雜志上。

在超材料設(shè)計領(lǐng)域，“越強越好”一直是主導(dǎo)規(guī)則。超材料是一種具有微觀結(jié)構(gòu)的合成材料，能夠賦予材料整體卓越的性能。然而，追求更強硬度的同時往往犧牲了材料的柔韌性。為了解決這一問題，團(tuán)隊設(shè)計了一種結(jié)合堅硬的微觀支撐結(jié)構(gòu)和更柔軟的編織結(jié)構(gòu)的“雙網(wǎng)絡(luò)”。這種新材料由類似有機玻璃的聚合物制成，能夠拉伸至自身尺寸的4倍以上而不會斷裂，而其他形式的聚合物幾乎沒有拉伸性。

這種新型雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不僅適用于聚合物，還可以應(yīng)用于制造彈性陶瓷、玻璃和金屬等材料。這些堅韌而靈活的材料可用于制作抗撕裂紡織品、柔性半導(dǎo)體、電子芯片封裝以及用于組織修復(fù)的細(xì)胞培養(yǎng)支架等。

該團(tuán)隊通過結(jié)合兩種微觀結(jié)構(gòu)創(chuàng)建了這種超材料：一個是剛性的網(wǎng)格狀支架，由支柱和桁架組成；另一個是由線圈組成的結(jié)構(gòu)，環(huán)繞著每個支柱和桁架。這兩種材料均由同一種丙烯酸塑料制成，并使用高精度激光打印技術(shù)——雙光子光刻一次性完成。

團(tuán)隊對這種新型雙網(wǎng)絡(luò)超材料進(jìn)行了多種壓力測試，包括將樣品連接到納米機械壓機上以測量其拉伸強度，并錄制高分辨率視頻觀察其拉伸和撕裂過程。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)格子圖案的超材料相比，新設(shè)計能拉伸至自身長度的3倍，是傳統(tǒng)設(shè)計拉伸能力的十倍。此外，通過在材料中引入策略性孔洞（即“缺陷”），可以進(jìn)一步分散應(yīng)力，提高材料的彈性和耐撕裂性。

這一進(jìn)展標(biāo)志著材料科學(xué)領(lǐng)域的重大突破，展示了如何通過微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計來優(yōu)化材料的整體性能。

總編輯圈點

材料的微觀結(jié)構(gòu)猶如一座精密的“納米級建筑”，微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)微調(diào)整，往往會對材料的性能產(chǎn)生“牽一發(fā)而動全身”的影響。例如，在金屬材料中，晶粒尺寸、相分布、缺陷形態(tài)等要素的變化，直接決定材料的強度、韌性、導(dǎo)電性等宏觀性能。如今，結(jié)合分子動力學(xué)模擬、高通量計算、深度學(xué)習(xí)、3D打印等先進(jìn)技術(shù)手段，材料設(shè)計領(lǐng)域的科學(xué)家們能夠更加精準(zhǔn)地預(yù)測不同微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計對材料性能的影響，并實現(xiàn)新型材料的“按需定制”。