工程師找到了一種制造既堅(jiān)固又有彈性的超材料的方法。圖片來(lái)源:美國(guó)麻省理工學(xué)院

美國(guó)麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種制造既堅(jiān)固又有彈性的超材料的方法。這種材料通常非常堅(jiān)硬且易碎,但通過(guò)打印出精確復(fù)雜的圖案,可以形成既堅(jiān)固又靈活的結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)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(jì)領(lǐng)域,“越強(qiáng)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(qiáng)硬度的同時(shí)往往犧牲了材料的柔韌性。為了解決這一問(wèn)題,團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種結(jié)合堅(jiān)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(jī)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(huì)斷裂,而其他形式的聚合物幾乎沒(méi)有拉伸性。

這種新型雙網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(jiān)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(duì)通過(guò)結(jié)合兩種微觀結(jié)構(gòu)創(chuàng)建了這種超材料:一個(gè)是剛性的網(wǎng)格狀支架,由支柱和桁架組成;另一個(gè)是由線圈組成的結(jié)構(gòu),環(huán)繞著每個(gè)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(duì)對(duì)這種新型雙網(wǎng)絡(luò)超材料進(jìn)行了多種壓力測(cè)試,包括將樣品連接到納米機(jī)械壓機(jī)上以測(cè)量其拉伸強(qiáng)度,并錄制高分辨率視頻觀察其拉伸和撕裂過(guò)程。結(jié)果表明,與傳統(tǒng)格子圖案的超材料相比,新設(shè)計(jì)能拉伸至自身長(zhǎng)度的3倍,是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)拉伸能力的10倍。此外,通過(guò)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(guò)微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化材料的整體性能。