加州理工学院工程师开发出一种异常坚韧的打结材料

互推小编 2024-01-29

加州理工学院的工程师们通过创造一种由多个相互连接的微尺度结组成的新型材料，在纳米和微架构材料领域取得了重大突破。与结构相同但没有结的材料相比，这种新材料中结的存在大大增强了它的韧性，使它能够吸收更多的能量，并在没有任何损坏的情况下恢复到原来的形状之前产生更大的变形。

这些新的打结材料由于其耐用性、可能的生物相容性和极端的可变形性，可能会在生物医学以及航空航天领域找到应用。

前加州理工学院研究生Widianto P. Moestopo（19岁硕士，22岁博士）说："克服材料可变形性和拉伸韧性[被拉伸而不断裂的能力]之间的一般权衡的能力为设计极其灵活、耐用并能在极端条件下运行的设备提供了新的方法。"

Moestopo是一篇关于纳米级结的论文的主要作者，该论文于3月8日发表在《科学进展》上。他在Julia R. Greer的实验室里帮助开发了这种材料，她是Ruben F. and Donna Mettler材料科学、力学和医学工程教授；Kavli纳米科学研究所的Fletcher Jones基金会主任；以及《科学进展》论文的资深作者。格里尔站在创造这种纳米架构材料的最前沿，或者说其结构是在纳米尺度上设计和组织的材料，因此表现出不寻常的，往往是令人惊讶的特性。

用微尺度结构建的材料的抗拉强度（左），与缺乏结但其他结构相同的材料的抗拉强度（右）相比。资料来源：加州理工学院

Greer说："着手了解结点将如何影响微结构材料的机械反应是一个新的突破性想法。我们已经做了广泛的研究，研究许多其他类型的微织物的机械变形，例如，格子和编织材料。进入结的世界使我们能够更深入地了解摩擦和能量耗散的作用，并证明是有意义的"。

每个结的高度和宽度约为70微米，每个纤维的半径约为1.7微米（约为人类头发半径的百分之一）。虽然这些不是有史以来最小的结--在2017年，化学家们打了一个由单个原子链组成的结--但这代表了由这种规模的众多结组成的材料首次被创造出来。此外，它显示了在材料中包括这些纳米级结的潜在价值--例如，在生物医学中用于缝合或拴牢。

由聚合物制成的打结材料表现出的拉伸韧性远远超过了没有打结但其他结构相同的材料，包括那些单个股线交织在一起而不是打结的材料。与未打结的材料相比，打结的材料吸收的能量多出92%，并且在被拉动时需要两倍以上的应变量才能断裂。

这些结没有被机械打结，而是通过使用先进的高分辨率三维光刻技术以打结的状态制造出来的，因此能够产生纳米级的结构。《科学进展》论文中详述的样品包含简单的结--一个带有额外扭曲的反手结，在材料被拉伸的同时提供额外的摩擦力以吸收额外的能量。在未来，该团队计划探索由更复杂的绳结构成的材料。

Moestopo对绳结的兴趣来自于他在2020年COVID-19锁定期间进行的研究。"我看到了一些研究人员的作品，他们正在研究物理结的力学原理，而不是纯粹数学意义上的结。我不认为自己是一个登山者，一个水手，或一个数学家，但我一生都在打结，所以我认为值得尝试在我的设计中插入结，"他说。

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