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如今，麻省理工學院的工程師們成功找到了一種方法，能讓超材料既堅固又有彈性。通常情況下，基礎材料高度剛性且易碎，但通過以精確、復雜的圖案進行印刷，就能形成兼具堅固性與柔韌性的結構。

這種新材料的雙重特性關鍵在于其結合了堅硬的微觀支撐結構和柔軟的編織架構。這種微觀的“雙重網(wǎng)絡”是通過一種類似有機玻璃的聚合物打印而成，能夠制造出一種材料，使其在不完全斷裂的情況下可以拉伸至其原始尺寸的四倍以上。相比之下，其他形式的聚合物幾乎沒有伸展性，一旦出現(xiàn)裂痕就會很容易碎裂。

研究人員表示，這種新的雙網(wǎng)絡設計可應用于其他材料，比如制造彈性陶瓷、玻璃和金屬。這種堅韌且可彎曲的材料，能用于制作抗撕裂紡織品、柔性半導體、電子芯片封裝，還能制成耐用且適配性好的支架，用于培養(yǎng)細胞以進行組織修復。

“我們正在為超材料開拓新的領域，”麻省理工學院副教授 Carlos Portela 說道，“你可以打印雙網(wǎng)金屬或陶瓷，這樣能獲得諸多優(yōu)勢，因為破壞它們需要消耗更多能量，而且它們的拉伸性能也要好得多。”

Portela 及其同事于近日在 Nature Materials 雜志上發(fā)表了這一研究成果。其他作者包括 James Utama Surjadi，以及 Bastien Aymon 和 Molly Carton。

與其他研究小組一樣，Portela 和他的同事通常會使用類似有機玻璃和陶瓷的傳統(tǒng)聚合物，采用打印或納米加工微觀晶格的方式來設計超材料。他們打印的特定圖案或結構，能賦予最終的超材料非凡的強度和抗沖擊性。

幾年前，Portela 突發(fā)奇想，超材料能否由本身剛性的材料制成，但通過某種圖案設計，使其變得更柔軟、更具彈性呢？

“我們意識到，超材料領域此前并未真正嘗試在軟物質(zhì)領域發(fā)揮影響，”他說，“到目前為止，大家都在尋找盡可能堅硬、最堅固的材料。”

于是，他開始探尋合成更柔軟、更有彈性超材料的方法。他和團隊沒有像傳統(tǒng)基于晶格的超材料那樣打印微觀支柱，而是制作了一種相互交織的彈簧或線圈組成的結構。他們發(fā)現(xiàn)，雖然使用的材料本身和有機玻璃一樣堅硬，但最終編織出的超材料卻像橡膠一樣柔軟且富有彈性。

“它們彈性十足，但過于柔軟、順應性太強了。”Portela 回憶道。

在尋找增強其較軟超材料體積的方法時，團隊從一種截然不同的材料——水凝膠中獲得了靈感。水凝膠是一種柔軟、有彈性、類似果凍的材料，主要由水和少量聚合物結構組成。包括麻省理工學院團隊在內(nèi)的研究人員，已經(jīng)找到了制造既柔軟有彈性又堅韌的水凝膠的方法。他們通過組合具有顯著差異特性的聚合物網(wǎng)絡來實現(xiàn)這一點，比如讓天然堅硬的分子網(wǎng)絡與本質(zhì)柔軟的分子網(wǎng)絡發(fā)生化學交聯(lián)。Portela 和他的同事由此想到，這種雙網(wǎng)絡設計能否應用于超材料呢？

“那一刻，我們靈感迸發(fā)，”Portela 說，“我們心想：能不能從這些水凝膠中獲取靈感，創(chuàng)造出兼具剛度和彈性特性的超材料呢？”

在新研究中，團隊通過結合兩種微觀結構制造出一種超材料。第一種是由支柱和桁架組成的剛性網(wǎng)格狀框架，第二種是圍繞每個支柱和桁架編織的線圈結構。這兩種網(wǎng)絡均由相同的丙烯酸塑料制成，并采用一種名為雙光子光刻的高精度激光打印技術一次性打印完成。

研究人員打印出這種新型雙網(wǎng)絡超材料樣品，每個樣品的尺寸從幾平方微米到幾平方毫米不等。他們對材料進行了一系列壓力測試，在測試過程中，將樣品的兩端分別連接到專門的納米機械壓力機上，測量將材料拉開所需的力。同時，他們還錄制了高分辨率視頻，用于觀察材料在拉伸和撕裂時的具體位置及方式。

他們發(fā)現(xiàn)，這種新型雙網(wǎng)絡設計能夠拉伸至自身長度的三倍，相比使用相同丙烯酸塑料打印的傳統(tǒng)格子圖案超材料，拉伸長度恰好是其 10 倍。Portela 表示，新材料的拉伸抗性源于材料剛性支柱，與材料受應力拉扯時較為雜亂的盤繞編織結構之間的相互作用。

“可以把這個編織網(wǎng)絡想象成纏在格子上的一團意大利面條。當整體晶格網(wǎng)絡破裂時，破損部分會牽動周圍，此時這些‘意大利面條’就會與晶格碎片糾纏在一起，”Portela 解釋道，“這會促使編織纖維之間產(chǎn)生更多纏結，意味著有更多摩擦和能量耗散。”

換句話說，由于開裂的支柱會引發(fā)多處纏結，纏繞在材料剛性晶格上的較軟結構就能承受更大應力。因為這種應力在材料中分布并不均勻，所以最初出現(xiàn)的裂紋不太可能直接貫穿材料并使其迅速撕裂。更重要的是，團隊發(fā)現(xiàn)，如果在超材料中設置一些特定的漏洞或“缺陷”，還能進一步分散材料所承受的應力，使其更具彈性，更耐撕裂。

“你可能覺得這樣會讓材料性能變差，”該研究的合著者 Surjadi 說，“但我們發(fā)現(xiàn)，一旦開始添加這些缺陷，材料的拉伸量增加了一倍，耗散的能量更是增加了三倍。這讓我們得到了一種既堅硬又堅韌的材料，而這兩種特性通常是相互矛盾的。”

團隊還開發(fā)了一個計算框架，能幫助工程師根據(jù)剛性和彈性網(wǎng)絡模式，預估超材料的性能。他們認為，這樣的設計藍圖將有助于設計防撕裂紡織品和織物。

“我們還想在更脆的材料上嘗試這種方法，賦予它們更多功能，”Portela 說，“目前我們討論的主要是機械性能，但如果能讓材料導電或?qū)囟犬a(chǎn)生響應呢？為此，可以用不同的聚合物制作這兩個網(wǎng)絡，使其對溫度有不同的響應。這樣一來，織物就能在溫度變化時，實現(xiàn)孔隙開合，或者在溫暖時更柔順，寒冷時更堅硬。這是我們接下來可以探索的方向。”

原文鏈接：

https://news.mit.edu/2025/mit-engineers-print-synthetic-metamaterials-strong-and-stretchy-0423