加州理工Science，新型建筑材料，层间链接的拓扑材料

加州理工Science，新型建筑材料，层间链接的拓扑材料

【科学背景】

传统的建筑化材料大多依赖于内部结构元素的几何排列来获取其独特的力学性能。这些材料通常由周期性重复的单元格或无序架构组成，展现出高强度与轻量化、负泊松比以及剪切-法向耦合等卓越特性。然而，这些材料大多基于刚性连接的桁架、板或壳体结构，其设计空间相对有限。

近年来，研究者们开始探索具有拓扑互锁特性的二维结构，例如类似锁子甲的材料，它们能够实现可调的刚度和可控的形状变形。然而，这些二维结构缺乏层间连接，限制了其在三维空间中的性能表现。

【科学贡献】

近期，加州理工学院研究团队提出了一种新型的三维多环状结构材料(PAMs)，通过将离散的环状或笼状颗粒交错连接成三维网络，实现了从流体到固体的力学行为转变。这种材料在小应变下表现出非牛顿流体特性（如剪切变稀和剪切增稠），而在大应变下则展现出类似晶格和泡沫的非线性应力-应变关系。此外，PAMs在微观尺度下能够响应电静力刺激，快速改变形状。本研究不仅开发了一种将晶体网络转化为颗粒交错结构的通用设计框架，还通过实验验证了其在宏观和微观尺度下的力学特性，展示了其在刺激响应材料、能量吸收系统和变形结构中的应用潜力。这些发现为设计具有独特力学性能和响应性的新型建筑化材料提供了理论基础和实验支持。相关文章近期以“3D polycatenated architected materials”为题发表在Science上。  

图1  三维聚链建筑材料(PAM)的设计策略

图2  PAM的重力诱导弛豫和单轴压缩

图3  PAM的剪切和流变试验

图4  PAM的可编程临界干扰应变。

图5  PAMs的尺度无关性和静电驱动

【创新点】

1. 该研究提出了一种将任意晶体网络转化为三维离散颗粒交错结构的设计框架，成功制造了多种拓扑结构的PAMs，例如D-4-TET（钻石网络）、J-4-ring和T-6-ring等。这些材料在宏观和微观尺度上均展现出一致的力学行为，验证了设计框架的通用性和可扩展性（图1和图2）。
2. PAMs在小应变下表现出非牛顿流体特性，剪切模量接近于零，表现出流体行为（图3C和3F）。在临界应变后，PAMs的粘度从剪切变稀转变为剪切增稠，表现出固体特性（图3D、3E、3G和3H）。通过改变颗粒的几何形状和连接拓扑，可以调节临界堵塞应变（例如，J-4-ring和T-6-ring PAMs的临界剪切应变和压缩应变表现出显著差异，图4B）。
3. 微尺度PAMs（m-PAMs）在电静力作用下，能够在不到0.1秒内从收缩状态快速展开到扩展状态，并且这一过程是完全可逆的（图5D-K）。这种快速响应能力源于微尺度下显著增加的表面能与体积比，为开发新型智能材料和微尺度变形结构提供了新的可能性。
4. PAMs在宏观和微观尺度上展现出尺度无关的力学行为，其应力-应变曲线高度一致，能量吸收能力也表现出近似线性的尺度关系（图5A）。此外，通过改变颗粒几何形状和连接拓扑，可以精确调控PAMs的力学性能，例如T-6-ring PAMs在压缩应变下表现出更高的能量吸收能力，而J-4-ring PAMs则在剪切变形下表现出更大的临界应变（图4和图5）

【科学启迪】

本文通过设计和实验验证了一种新型三维多环状结构材料（PAMs），其独特的流体-固体二象性和拓扑可调控性为材料科学提供了新的设计思路。研究揭示了PAMs的力学行为高度依赖于颗粒几何形状和连接拓扑，通过改变这些参数可以实现从流体到固体的转变，并精确调控其能量吸收能力和变形模式。此外，PAMs在宏观和微观尺度上展现出一致的力学行为，其微尺度下的电静力响应能力进一步拓展了其在智能材料和微尺度应用中的潜力。这些发现不仅为开发新型多功能材料和结构提供了理论基础，也为未来研究方向，如动态响应和多功能优化，开辟了新的道路。

文章详情： DOI: 10.1126/science.adr9713