加州理工Science，加州間鏈接新型建筑材料，理工料層層間鏈接的新型建拓撲材料
【科學背景】
傳統的建筑化材料大多依賴于內部結構元素的幾何排列來獲取其獨特的力學性能。這些材料通常由周期性重復的筑材單元格或無序架構組成，展現出高強度與輕量化、拓撲負泊松比以及剪切-法向耦合等卓越特性。材料材料然而，加州間鏈接這些材料大多基于剛性連接的理工料層桁架、板或殼體結構，新型建其設計空間相對有限。筑材
近年來，拓撲研究者們開始探索具有拓撲互鎖特性的材料材料二維結構，例如類似鎖子甲的加州間鏈接材料，它們能夠實現可調的理工料層剛度和可控的形狀變形。然而，新型建這些二維結構缺乏層間連接，限制了其在三維空間中的性能表現。
【科學貢獻】
近期，加州理工學院研究團隊提出了一種新型的三維多環狀結構材料(PAMs)，通過將離散的環狀或籠狀顆粒交錯連接成三維網絡，實現了從流體到固體的力學行為轉變。這種材料在小應變下表現出非牛頓流體特性（如剪切變稀和剪切增稠），而在大應變下則展現出類似晶格和泡沫的非線性應力-應變關系。此外，PAMs在微觀尺度下能夠響應電靜力刺激，快速改變形狀。本研究不僅開發了一種將晶體網絡轉化為顆粒交錯結構的通用設計框架，還通過實驗驗證了其在宏觀和微觀尺度下的力學特性，展示了其在刺激響應材料、能量吸收系統和變形結構中的應用潛力。這些發現為設計具有獨特力學性能和響應性的新型建筑化材料提供了理論基礎和實驗支持。相關文章近期以“3D?polycatenated architected materials”為題發表在Science上。 ?
圖1 ?三維聚鏈建筑材料(PAM)的設計策略
圖2 ?PAM的重力誘導弛豫和單軸壓縮
圖3 ?PAM的剪切和流變試驗
圖4 ?PAM的可編程臨界干擾應變。
圖5 ?PAMs的尺度無關性和靜電驅動
【創新點】
- 該研究提出了一種將任意晶體網絡轉化為三維離散顆粒交錯結構的設計框架，成功制造了多種拓撲結構的PAMs，例如D-4-TET（鉆石網絡）、J-4-ring和T-6-ring等。這些材料在宏觀和微觀尺度上均展現出一致的力學行為，驗證了設計框架的通用性和可擴展性（圖1和圖2）。
- PAMs在小應變下表現出非牛頓流體特性，剪切模量接近于零，表現出流體行為（圖3C和3F）。在臨界應變后，PAMs的粘度從剪切變稀轉變為剪切增稠，表現出固體特性（圖3D、3E、3G和3H）。通過改變顆粒的幾何形狀和連接拓撲，可以調節臨界堵塞應變（例如，J-4-ring和T-6-ring PAMs的臨界剪切應變和壓縮應變表現出顯著差異，圖4B）。
- 微尺度PAMs（m-PAMs）在電靜力作用下，能夠在不到0.1秒內從收縮狀態快速展開到擴展狀態，并且這一過程是完全可逆的（圖5D-K）。這種快速響應能力源于微尺度下顯著增加的表面能與體積比，為開發新型智能材料和微尺度變形結構提供了新的可能性。
- PAMs在宏觀和微觀尺度上展現出尺度無關的力學行為，其應力-應變曲線高度一致，能量吸收能力也表現出近似線性的尺度關系（圖5A）。此外，通過改變顆粒幾何形狀和連接拓撲，可以精確調控PAMs的力學性能，例如T-6-ring PAMs在壓縮應變下表現出更高的能量吸收能力，而J-4-ring PAMs則在剪切變形下表現出更大的臨界應變（圖4和圖5）
【科學啟迪】
本文通過設計和實驗驗證了一種新型三維多環狀結構材料（PAMs），其獨特的流體-固體二象性和拓撲可調控性為材料科學提供了新的設計思路。研究揭示了PAMs的力學行為高度依賴于顆粒幾何形狀和連接拓撲，通過改變這些參數可以實現從流體到固體的轉變，并精確調控其能量吸收能力和變形模式。此外，PAMs在宏觀和微觀尺度上展現出一致的力學行為，其微尺度下的電靜力響應能力進一步拓展了其在智能材料和微尺度應用中的潛力。這些發現不僅為開發新型多功能材料和結構提供了理論基礎，也為未來研究方向，如動態響應和多功能優化，開辟了新的道路。
文章詳情： DOI: 10.1126/science.adr9713
