硬過鋼鐵柔過橡膠，MIT打破硬度柔韌悖論！雙光子光刻造剛彈一體超級(jí)材料
文章來源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-09-15 15:30:30
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超材料，作為一類具備微觀精細(xì)結(jié)構(gòu)的合成材料，憑借獨(dú)特的微觀構(gòu)造賦予整體材料卓越非凡的性能，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)超材料研發(fā)始終面臨一個(gè)棘手的難題：材料的硬度與柔韌性如同天平的兩端，一方增強(qiáng)往往意味著另一方的削弱，難以實(shí)現(xiàn)兩者兼顧的理想狀態(tài)。 但如今，這一困境被麻省理工學(xué)院的工程師們成功打破。他們通過創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路和先進(jìn)的制備工藝，成功開發(fā)出一種前所未有的超材料，巧妙地將堅(jiān)固性與彈性融為一體，為超材料領(lǐng)域的發(fā)展開辟了嶄新的道路。 突破傳統(tǒng)：從矛盾困境到創(chuàng)新構(gòu)想 過往，超材料研發(fā)聚焦于制造比傳統(tǒng)材料更堅(jiān)固、更堅(jiān)硬的產(chǎn)品。常規(guī)超材料多采用緊密排列的剛性微觀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在承受外力時(shí)，能夠憑借其剛性特性保持形狀穩(wěn)定，展現(xiàn)出較高的強(qiáng)度。然而，其代價(jià)是材料內(nèi)部幾乎沒有可緩沖應(yīng)力的空間，柔韌性極差。一旦所受應(yīng)力超出材料的承受范圍，材料就會(huì)迅速發(fā)生斷裂，嚴(yán)重限制了其在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下的應(yīng)用。 麻省理工學(xué)院副教授Carlos Portela及其團(tuán)隊(duì)敏銳地察覺到這一問題的關(guān)鍵所在，開始大膽探索新的設(shè)計(jì)方向。Portela突發(fā)奇想：能否利用本身剛性的材料，通過精巧的圖案設(shè)計(jì)，使其呈現(xiàn)出柔軟且富有彈性的特質(zhì)？這一創(chuàng)新性的想法，如同在黑暗中點(diǎn)亮了一盞明燈，為團(tuán)隊(duì)的研究指明了方向。 在此之前，超材料領(lǐng)域鮮有人涉足軟物質(zhì)領(lǐng)域的研究，主流方向始終圍繞尋找更堅(jiān)硬、堅(jiān)固的材料展開。Portela及其團(tuán)隊(duì)決心打破這一傳統(tǒng)思維定式，踏上了探索合成柔軟且有彈性超材料的征程。他們摒棄了傳統(tǒng)基于晶格的超材料中打印微觀支柱的常規(guī)做法，嘗試制作一種由相互交織的彈簧或線圈組成的全新結(jié)構(gòu)。令人驚喜的是，盡管所使用的基礎(chǔ)材料與堅(jiān)硬的有機(jī)玻璃相同，但最終構(gòu)建出的超材料卻如同橡膠一般，具備出色的柔軟度和彈性。 然而，新的問題隨之而來。這種超材料雖然彈性十足，但過于柔軟，順應(yīng)性過強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中缺乏足夠的剛度支撐。為了解決這一問題，團(tuán)隊(duì)將目光投向了一種截然不同的材料——水凝膠。水凝膠是一種柔軟、富有彈性且類似果凍的材料，主要由水和少量聚合物結(jié)構(gòu)構(gòu)成。 此前，包括麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的眾多研究人員，已經(jīng)成功找到了制造兼具柔軟彈性與堅(jiān)韌特性水凝膠的方法。其關(guān)鍵在于巧妙組合具有顯著差異特性的聚合物網(wǎng)絡(luò)，例如將天然堅(jiān)硬的分子網(wǎng)絡(luò)與本質(zhì)柔軟的分子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)。受此啟發(fā)，Portela團(tuán)隊(duì)大膽設(shè)想：能否將這種雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理念引入超材料的設(shè)計(jì)中，從而創(chuàng)造出同時(shí)具備高剛度和高彈性特性的新型超材料？這一靈感的閃現(xiàn)，為后續(xù)的研究奠定了重要基礎(chǔ)。 微觀探秘：雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的精妙構(gòu)建 基于上述靈感，在新的研究中，Portela團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)并成功制造出一種具有獨(dú)特雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的超材料。這種超材料由兩種微觀結(jié)構(gòu)巧妙結(jié)合而成：其一為剛性的網(wǎng)格狀框架，由堅(jiān)實(shí)的支柱和桁架搭建而成，為材料提供了穩(wěn)定的力學(xué)支撐基礎(chǔ)，確保材料具備較高的強(qiáng)度和剛度；其二是圍繞每個(gè)支柱和桁架精心編織的線圈結(jié)構(gòu)，如同給剛性框架穿上了一層彈性“外衣”，賦予材料出色的柔韌性和彈性變形能力。 值得一提的是，這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均采用同一種丙烯酸塑料作為原材料，并借助先進(jìn)的雙光子光刻技術(shù)一次性精確打印完成。雙光子光刻技術(shù)作為一種高精度的激光打印技術(shù)，能夠在微觀尺度上對(duì)材料進(jìn)行精準(zhǔn)加工。在打印過程中，飛秒激光束如同一位技藝精湛的微觀雕刻師，精確地按照預(yù)設(shè)的圖案和路徑，在丙烯酸塑料中進(jìn)行選擇性固化，從而構(gòu)建出復(fù)雜且精確的三維微觀結(jié)構(gòu)。通過對(duì)激光參數(shù)和掃描路徑的精細(xì)調(diào)控，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的緊密結(jié)合與協(xié)同工作，確保了材料性能的穩(wěn)定性和一致性。 為了深入研究這種新型雙網(wǎng)絡(luò)超材料的性能，研究人員制備了一系列尺寸各異的樣品，其尺寸范圍從幾平方微米到幾平方毫米不等。隨后，他們對(duì)這些樣品展開了一系列嚴(yán)格且全面的壓力測(cè)試。在測(cè)試過程中，研究人員將樣品的兩端分別精準(zhǔn)連接到專門定制的納米機(jī)械壓力機(jī)上，通過壓力機(jī)精確施加拉伸載荷，并同步精確測(cè)量將材料拉開所需的力的大小。同時(shí)，為了直觀觀察材料在拉伸和撕裂過程中的具體行為和變化情況，研究人員還利用高分辨率視頻錄制設(shè)備，對(duì)整個(gè)測(cè)試過程進(jìn)行了全程記錄。 性能驗(yàn)證：卓越表現(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料 通過一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試，新型雙網(wǎng)絡(luò)超材料的卓越性能得以充分展現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，這種新型超材料在拉伸性能方面表現(xiàn)驚人，能夠輕松拉伸至自身原始長(zhǎng)度的三倍之多。與之形成鮮明對(duì)比的是，使用相同丙烯酸塑料打印的傳統(tǒng)格子圖案超材料，其拉伸長(zhǎng)度僅為新型超材料的十分之一。這一數(shù)據(jù)充分證明了新型雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在提升材料拉伸性能方面的顯著優(yōu)勢(shì)。 進(jìn)一步探究其拉伸抗性的內(nèi)在機(jī)制，發(fā)現(xiàn)其源于材料剛性支柱與受應(yīng)力拉扯時(shí)雜亂盤繞編織結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同相互作用。當(dāng)材料受到拉伸應(yīng)力時(shí)，剛性的網(wǎng)格狀框架首先承擔(dān)主要載荷，憑借其堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)抵抗變形。隨著應(yīng)力的逐漸增大，剛性框架開始出現(xiàn)破裂，但此時(shí)纏繞在其上的柔軟編織結(jié)構(gòu)開始發(fā)揮關(guān)鍵作用。破裂的剛性部分牽動(dòng)周圍結(jié)構(gòu)，使得編織結(jié)構(gòu)中的線圈與晶格碎片相互糾纏，如同無數(shù)微小的“剎車”裝置，促使編織纖維之間產(chǎn)生大量的纏結(jié)。這種纏結(jié)現(xiàn)象不僅增加了材料內(nèi)部的摩擦阻力，更重要的是實(shí)現(xiàn)了能量的有效耗散，從而極大地延緩了裂紋的擴(kuò)展速度，使材料在承受大變形的情況下仍能保持結(jié)構(gòu)的完整性。 更為重要的是，團(tuán)隊(duì)在研究中還意外發(fā)現(xiàn)，在超材料中精心設(shè)置一些特定的漏洞或“缺陷”，不僅不會(huì)削弱材料的性能，反而能夠進(jìn)一步優(yōu)化材料的應(yīng)力分布情況，使其變得更具彈性和耐撕裂性。按照傳統(tǒng)認(rèn)知，材料中的缺陷往往會(huì)成為應(yīng)力集中的薄弱點(diǎn)，導(dǎo)致材料性能下降。但在這種新型雙網(wǎng)絡(luò)超材料中，情況卻截然不同。當(dāng)材料受力時(shí)，這些預(yù)設(shè)的缺陷能夠引導(dǎo)應(yīng)力向周圍分散，避免應(yīng)力在某一局部區(qū)域過度集中，從而有效提高了材料的整體性能。研究數(shù)據(jù)顯示，添加特定缺陷后，材料的拉伸量增加了一倍，能量耗散能力更是大幅提升了三倍之多。這一發(fā)現(xiàn)徹底顛覆了傳統(tǒng)對(duì)材料缺陷的認(rèn)知，為材料設(shè)計(jì)提供了全新的思路。 為了更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐，幫助工程師根據(jù)不同的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)和優(yōu)化超材料，團(tuán)隊(duì)還深入開展了理論研究工作，開發(fā)出一個(gè)先進(jìn)的計(jì)算框架。該計(jì)算框架能夠依據(jù)剛性和彈性網(wǎng)絡(luò)的不同模式，準(zhǔn)確預(yù)估超材料的各項(xiàng)性能參數(shù)。通過輸入不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性，工程師可以利用該框架模擬超材料在各種工況下的性能表現(xiàn)，從而快速篩選出最適合特定應(yīng)用場(chǎng)景的設(shè)計(jì)方案，大大縮短了超材料的研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。 應(yīng)用展望：開啟多領(lǐng)域創(chuàng)新應(yīng)用大門 這種新型雙網(wǎng)絡(luò)超材料的問世，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了極為廣闊的應(yīng)用前景。在紡織領(lǐng)域，其出色的抗撕裂特性使其成為制造高性能防護(hù)紡織品的理想材料。無論是戶外運(yùn)動(dòng)裝備，還是工業(yè)防護(hù)服裝，使用這種超材料制作的紡織品能夠有效抵御外界的撕扯和磨損，為使用者提供更可靠的保護(hù)，同時(shí)還能保持良好的舒適性和柔韌性。 在電子領(lǐng)域，柔性半導(dǎo)體和電子芯片封裝對(duì)材料的柔韌性和堅(jiān)固性有著極高的要求。新型超材料的出現(xiàn)恰好滿足了這一需求，其能夠?yàn)殡娮釉峁┓€(wěn)定的支撐和保護(hù)，有效緩沖外界的沖擊和振動(dòng)，降低電子元件因受力而損壞的風(fēng)險(xiǎn)，從而顯著提高電子產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。此外，其良好的柔韌性還使得電子設(shè)備在設(shè)計(jì)上能夠更加輕薄、靈活，為可穿戴電子設(shè)備等新興領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力支持。 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域同樣是新型超材料的重要應(yīng)用方向之一。在組織修復(fù)和再生醫(yī)學(xué)中，需要使用耐用且適配性良好的支架來培養(yǎng)細(xì)胞，促進(jìn)組織的修復(fù)和再生。新型雙網(wǎng)絡(luò)超材料憑借其獨(dú)特的力學(xué)性能，能夠?yàn)榧?xì)胞提供一個(gè)與天然組織環(huán)境相似的力學(xué)微環(huán)境，促進(jìn)細(xì)胞的黏附、增殖和分化，加速組織修復(fù)進(jìn)程。同時(shí)，其良好的生物相容性也確保了在體內(nèi)應(yīng)用時(shí)不會(huì)引起明顯的免疫反應(yīng)，為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的安全性提供了保障。 展望未來，Portela及其團(tuán)隊(duì)表示，將繼續(xù)深入探索雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理念在更多材料體系中的應(yīng)用可能性。他們計(jì)劃嘗試將這一設(shè)計(jì)應(yīng)用于陶瓷、金屬等傳統(tǒng)脆性材料，期望通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新賦予這些材料前所未有的柔韌性和韌性。此外，團(tuán)隊(duì)還設(shè)想通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)材料的成分和特性，賦予超材料更多新穎的功能。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_574406.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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