副標題：3D多鏈結構化材料 不多說，直接上封面圖。

看完封面，各位讀者應該就會明白這種由美國加州理工學院Chiara Daraio、Wenjie Zhou及勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室Xiaoxing Xia等研究者發明的“多鏈結構化材料（polycatenated architected material, PAM）”的大體設計思路——將多個單元按照一定拓撲結構鏈接起來。這就像是古代戰士常穿的鎖子甲，不過是3D版本的鎖子甲。 有意思的是，這并非是Chiara Daraio教授課題組首次借用“鎖子甲”的理念來設計能登上頂刊的新材料。2021年，他們在Nature 上報道了一種神似鎖子甲的機械性能可調智能織物（Nature,2021, 596, 238, 點擊閱讀詳細）。不受力的狀態下，這種織物就像普通布料一樣柔軟；但在施加壓力下，織物中三維結構顆粒單元會互鎖并卡住，使得織物由軟變硬，并可承擔一定的負載。這種變化完全可逆，也就是說，壓力撤去之后，織物又可恢復柔性狀態。與鎖子甲由無數小環鏈接而成不同，他們的智能織物由八面體顆粒單元間形成多點互鎖。

機械性能可調的智能織物。圖片來源：Nature 大家都知道，結構化材料的性質源于其內部結構單元的幾何排列，材料整體的力學行為受到連續結構單元網絡的控制。那么，本文關注的PAM，結構具體如何設計？材料又有什么樣的有趣性質？簡單來說，這種PAM可以看作是一種由多個環或籠狀顆?；ユi連接而成的3D網絡。研究者提出了一個通用的設計框架，可將任意一種晶體網絡轉化為此種顆粒連接和幾何形狀。在響應較小的外部載荷時，PAM表現得像非牛頓流體，具有剪切稀化和剪切稠化的響應，這可以通過其連接拓撲結構來控制。而在較大的應變下，PAM表現得像晶格固體材料，展現出非線性應力-應變關系。有意思的是，在微觀尺度上，PAM可以改變其形狀以響應施加的靜電荷。該材料的這些獨特性質為開發刺激響應材料、能量吸收系統和變形結構鋪平了道路。

PAM的設計策略。圖片來源：Science 傳統的晶格結構可以映射成由節點和連接組成的連續拓撲網絡（上圖A）。PAM的設計策略從選定晶體網絡開始，研究者創建了周期性糾纏的環形、多邊形或多面體籠狀顆粒，作為PAM的結構單元。首先識別連續網絡中的節點對稱性，并將其與具有這些對稱性的顆粒對應（上圖B）。相鄰顆粒相互連接，復制原始的網絡連接（上圖A至C），如此以來，晶體晶格拓撲就可以轉移至PAM。單個節點可以使用各種形狀的顆粒來表示，例如多面體、多邊形簇或環面簇（上圖D）。根據組成單元的性質不同，所得到的多鏈體系結構的拓撲也不同（上圖E）。給定的顆粒形狀（例如立方體（CO））可以表現出多個對稱軸（上圖F），這意味著多種潛在的連接環境（上圖G至I）。通過單獨或組合利用這些連接，就可以創建各種PAM（上圖J至M），每個PAM都有自己的全局拓撲。為了便于識別，研究者使用了一個三部分命名方案，X-n-abc，其中“X”表示網絡拓撲，“n”表示每個顆粒的連接數，“abc”表示顆粒形狀。例如，D-4-TET（上圖C）表示由四面體（TET）組成的多鏈dia網絡（D），每個四面體與四個相鄰顆粒角對角互鎖（4）。

重力的影響及單軸壓縮測試。圖片來源：Science 研究者使用包括丙烯酸聚合物、尼龍和金屬在內的多種材料，3D打印出這些PAM結構，大多數原型都是邊長5厘米左右的立方體或直徑5厘米的球體。隨后，研究者進行了各種測試，來了解PAM的機械性能?！拔覀儚膲嚎s開始，”Wenjie Zhou博士解釋，“然后我們嘗試了簡單的剪切，施加一個橫向力，就像你試圖撕裂材料時所做的那樣。最后，我們做了流變學測試，看看材料對扭曲的反應，首先是緩慢的，然后是更快、更強的?！痹谀承┣闆r下，這些PAM表現得像液體?！跋胂笠幌聦λ┘蛹羟袘?，”Wenjie Zhou博士說?！安粫腥魏巫枇?。PAM的環和籠組成單元相互滑動，因此許多PAM具有很小的剪切阻力?！钡斶@些結構被壓縮時，它們可能會變得完全剛性，表現得像固體一樣。[1]

剪切和流變學測試。圖片來源：Science 更有意思的是，這種設計策略與結構單元的尺寸無關，即便將邊長從24毫米縮小至400微米，所得到的微型PAM表現出與前文厘米級PAM相同的力學響應。此外，微型PAM可以響應施加的靜電荷并改變形狀。這些有趣的性質表明，此種PAM在生物醫學設備或軟體機器人領域有著不錯的應用潛力。

PAM設計策略與尺寸無關以及靜電驅動的微型PAM。圖片來源：Science

“在過去的20到30年里，結構化材料一直是材料科學和工程領域的一個重要分支，”Daraio教授說，“不過，作為顆粒材料和彈性可變形材料的混合體，PAM是令人興奮的新材料。”目前，PAM的潛在應用在很大程度上只能推測，但仍然很有吸引力。Daraio教授表示：“這種材料具有獨特的能量吸收性質。每個結構單元都可以滑動、旋轉和相互重組，因此它們可以非常有效地耗散能量?！彼鼈儽饶壳皬V泛使用的泡沫材料更適合用于頭盔或其他形式的防護裝備，同樣的，它們在包裝材料或任何需要緩沖的環境中同樣具有吸引力