新型多连环构架材料（PAM）登上Science封面，展现流体-固体双重特性

2025年1月，南极熊获悉，来自美国加州理工学院的研究者们一种新的材料类别——多连环构架材料（polycatenated architected materials, PAMs），它由离散的互锁环或笼状粒子组成，形成3D结构，为开发刺激响应材料、能量吸收系统和变形建筑提供了可能性。在整个研究过程肿，研究人员使用3D打印技术制造了不同的不同类型的PAMs样本，精确地控制粒子的形状、大小以及它们的空间排列。他们的研究已经发表在Science上，并登上了Science封面，研究题目为3D polycatenated architected materials（三维多链结构材料）。



研究背景
传统构架材料（architected materials）是通过设计其内部结构元素的几何排列来获得特定性能的一类材料。这些材料的设计依赖于连续结构组分来控制整体的机械行为，通常包括刚性连接的桁架、板或壳基格子结构。它们可以从周期性重复的单元胞或无序架构中获取有效的整体性质，并能表现出高强度和轻量化、负泊松比等关键特性。



然而，这类材料在缺乏边界约束时往往缺乏“凝聚力”，因为颗粒之间没有粘合剂连接，因此在张力下不会提供阻力。此外，链甲等二维互锁织物可以支持可调的刚度和可控的形态变化，但三维拓扑互锁结构尚未被充分探索研究。

美国加州理工学院的此次研究介绍了一种新的材料类别——多连环构架材料（polycatenated architected materials, PAMs），由离散的互锁环或笼状粒子组成，形成3D网状结构。PAMs能够展示出非牛顿流体的行为，如剪切稀化和剪切增稠反应，同时在大应变条件下表现出类似于晶格和泡沫的非线性应力-应变关系。在微尺度上，PAMs还能响应静电荷改变形状。这种新型材料为开发刺激响应材料、能量吸收系统和变形建筑提供了可能性。

研究内容
研究团队提出了一个通用的设计框架，能够将任意晶体网络转换成粒子互锁及几何形状，从而创建了3D PAMs。这个过程涉及以下步骤：


△PAM 的设计策略

●从连续图拓扑到PAM的转换：选择一个晶体网络，识别节点对称性并与具有相应对称性的粒子对齐，然后使这些粒子与相邻粒子相互连接，复制原始网络连接。

●基于指定粒子几何形状生成3D PAM：根据给定粒子形状（例如立方八面体）的多个对称轴，利用这些互锁环境单独或组合使用，创造出不同全球拓扑结构的PAMs。

●命名方案：为了便于识别，采用了三部分命名法X-n-abc，其中“X”表示网络拓扑，“n”表示每个粒子的互锁数量，“abc”表示粒子形状。

研究人员进行了机械表征实验，包括准静态单轴压缩测试、简单剪切测试和流变测试。他们观察到了PAMs的非线性应力-应变行为、加载卸载滞后现象以及能量吸收特性。

增材制造技术助力新材料开发
在研究过程中，为了制造多连环构架材料，研究人员采用了增材制造，即3D打印，来构建这些复杂的三维互锁结构。具体来说，研究团队设计并3D打印了不同类型的PAMs样本，包括宏观和微观尺度上的样本。3D打印使得能够精确地控制粒子的形状、大小以及它们的空间排列，这对于实现所需的机械性能至关重要。此外，对于微尺度的PAMs，研究者还展示了其在施加静电荷后能够迅速且可逆地改变形状的能力。这表明3D打印不仅有助于创建这些复杂结构，而且对于探索材料在不同条件下的响应行为也非常重要。总而言之，3D打印技术在这项研究中起到了关键作用，它为科学家们提供了一种灵活且高效的方法来生成和测试新型构架材料。


研究方法
该研究使用了增材制造技术制作了PAMs样品，并选择了八种代表性的PAMs进行分析。为了理解PAMs的力学响应特性，研究者们进行了以下几种实验：


△PAM 的重力诱导松弛和单轴压缩

●单轴压缩测试：用于评估PAMs在不同方向上的松弛行为及其非线性应力-应变特性。

●简单剪切测试：展示了PAMs从流体样态向固体样态转变的能力。

●流变测试：揭示了PAMs在振幅扫描和频率扫描条件下的存储模量、损耗模量和复数粘度的变化规律。


△PAM 的剪切和流变学测试

此外，研究者还运用了水平集离散元法（LS-DEM）对PAMs的动态接触链进行了仿真，以量化粒子间相互作用的影响。对于微尺度上的PAMs，研究者通过施加电场验证了它们快速且可逆地适应形状变化的能力。

研究结果
研究发现，PAMs拥有独特的机械特性，能够在不同的加载条件下展现出流体样的和固体样的双重行为。具体来说：

●在小外部载荷作用下，PAMs表现得像非牛顿流体，显示出剪切稀化和剪切增稠的响应。

●在较大应变下，PAMs则类似晶格和泡沫，呈现出非线性的应力-应变关系。

●PAMs可以在循环加载过程中保持韧性，并且具有可调节的能量吸收能力。

●通过调整粒子间的互锁拓扑结构和几何形状，可以编程设定PAMs的关键屈服应变点。

●微米尺度上的PAMs能够响应静电荷迅速改变形状。


△PAMs 的尺度独立性和微米尺度下PAMs的静电驱动

展望
PAMs是一种具有广阔应用前景的新材料类型，可以根据需要调整机械性能，适用于多种场合，比如作为刺激响应材料用于智能设备、作为高效能量吸收系统保护易损物品、或者作为可变形结构应用于自适应建筑。研究者表示，未来的工作将集中在进一步优化PAMs的设计，提高其性能，扩大其应用场景，并探索其他潜在的物理化学特性。


原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9713