模糊固体和液体界限的革命性材料——一种新型物质
诸平
Fig. 2 This PAM, in its granular state, takes the shape of a drop of water or honey. Credit: Wenjie Zhou
据美国加州理工学院（California Institute of Technology简称Caltech)2025年1月26日提供的消息，模糊固体和液体界限的革命性材料——一种新型物质（The Revolutionary Material Blurring Solid and Liquid Lines – “A New Type of Matter”）。
加州理工学院（Caltech）的研究人员已经开发出一种新型材料PAMs，它混合了固体和液体的特性，使其具有高度适应性，适用于各种应用。（Caltech researchers have developed PAMs, a novel material that blends the properties of solids and liquids, making them highly adaptable for diverse applications.）
这些材料的灵感来自于锁子甲（chain mail），但由于先进的3D打印技术，结构复杂性达到了新的水平。
发现一种新材料（Discovering a New Type of Material）
由基娅拉·达雷奥（Chiara Daraio）教授领导的加州理工学院的研究人员已经开发出一种令人着迷而有趣的新型材料，既不是颗粒状的，也不是晶体状的，根据施加的压力类型，它的行为既像固体又像液体。它对一些压力的反应像液体一样，对另一些压力的反应像固体一样。这种创新材料被称为聚串联结构材料（polycatenated architected materials简称PAMs），可以有广泛的应用，可用于从头盔和其他防护装备到生物医学设备和机器人等领域。相关研究结果于2025年1月16日已经在《科学》（Science）杂志网站发表——Wenjie Zhou, Sujeeka Nadarajah, Liuchi Li, Anna Guell Izard, Hujie Yan, Aashutosh K. Prachet, Payal Patel, Xiaoxing Xia, Chiara Daraio. 3D polycatenated architected materials. Science, 2025, 387(6731): 269-277. DOI: 10.1126/science.adr9713. Published 16 January 2025. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9713
参与此项研究的有来自美国美国加州理工学院（California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA）、.美国普林斯顿大学（Princeton University, Princeton, NJ, USA）、美国.约翰·霍普金斯大学（Johns Hopkins University, Baltimore, MD, USA）以及美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory简称LLNL, Livermore, CA, USA）的研究人员。
虽然PAMs不是自然产生的，但它们的概念是受到古代锁子甲的启发，锁子甲是由小金属环连接在一起形成灵活的盔甲。然而，PAMs将这个想法提升到了一个新的水平。它们不是简单的互锁环，而是由复杂的、相互连接的形状组成，排列成几乎无限的三维图案。这些独特的结构，由基娅拉·达雷奥和她的团队使用3D打印技术创建，展示了不同于任何其它已知材料的特性。
从分子到宏观尺度（From Molecular to Macro Scale）
机械与土木工程博士后研究员周文杰（Wenjie Zhou音译）基娅拉·达雷奥的实验室研究这类材料已有两年时间。他说：“我是一名化学家，我想在分子尺度上制造这些结构，但事实证明这太具有挑战性了。为了得到这些结构的行为方式的答案，我决定加入基娅拉·达雷奥小组，在更大的范围内研究PAMs。”
基娅拉·达雷奥团队创造和研究的PAMs首先在计算机上建模，旨在复制晶体物质中的晶格结构，但晶体结构中的固定粒子被多层纠缠的环或笼所取代。
PAMs如何应对压力（How PAMs Respond to Stress）
然后使用各种材料，包括丙烯酸聚合物（acrylic polymers）、尼龙（nylon）和金属（metals），将这些晶格三维打印出来。一旦PAMs可以放在手掌上，大多数原型都是边长5 cm的立方体或直径为5 cm的球体，它们会受到各种物理压力。周文杰解释说：“我们从压缩开始，每次都把样品压缩得更紧一点。然后我们尝试了一个简单的剪切，一个横向力，就像你试图撕裂材料时所施加的那样。最后，我们做了流变学测试，看看材料对扭曲的反应，先是缓慢的，然后是更快更强的。”
在某些情况下，这些PAMs表现得像液体。“想象一下对水施加剪切应力，”周文杰说。
“阻力为零。由于PAMs具有所有这些协调的自由度，它们由环和笼组成，就像链上的链环一样相互滑动，因此许多PAMs具有很小的剪切阻力。”但当这些结构被压缩时，它们可能会变得完全刚性，表现得像固体一样。
PAMs：一种新型物质(PAMs: A New Type of Matter)
这种活力使PAMs独一无二。“PAMs确实是一种新型物质，”基娅拉·达雷奥说。“当我们想到固体物质和颗粒物质时，我们都有一个明确的区别。固体材料通常被描述为晶体晶格。
这就是你在原子、化学或更大的晶体结构的经典球棒模型中看到的。正是这些物质形成了我们对固体物质的传统理解。另一类材料是颗粒状的，就像我们在大米、面粉或磨碎的咖啡中看到的那样。这些材料由离散的粒子组成，彼此之间可以自由移动和滑动。”
PAMs违背了这种二元分类。“在PAMs中，单个粒子就像它们在晶体结构中一样连接在一起，然而，因为这些粒子彼此之间可以自由移动，它们流动，它们在彼此的顶部滑动，它们改变它们的相对位置，更像沙粒，”基娅拉·达雷奥解释道。“PAMs可以彼此非常不同。你可以用柔软的材料或坚硬的材料打印它们。你可以改变每个粒子的形状，也可以改变用来连接这些粒子的晶格。这些参数中的每一个都会影响所得材料的性能。但它们都表现出流体和固体行为之间的特征转变。这种转变可能发生在不同的情况下，但它总是会发生的。”
PAMs的光明未来(A Bright Future for PAMs)
基娅拉·达雷奥说：“在过去的20~30年间，建筑材料一直是材料科学和工程领域的一个重要分支。但作为颗粒材料和弹性可变形材料的混合体，PAMs是一种令人兴奋的新材料。我们有描述颗粒物质的理论和描述弹性可变形物质的理论，但没有一个能描述这些介于两者之间的物质。这是一个迷人的前沿领域，有望重新定义材料是什么以及它们的行为方式。”
在这一点上，PAMs的潜在用途很大程度上是推测性的，但仍然很有趣，基娅拉·达雷奥说：“这些材料具有独特的能量吸收特性。因为每个元素都可以滑动、旋转和相互重组，它们可以非常有效地消耗能量，”使它们比目前使用的泡沫更适合用于头盔或其他形式的防护装备。
这种特性使它们在包装或任何需要缓冲或稳定的环境中同样具有吸引力。
对微型PAMs的实验表明，它们会根据施加的电荷和物理力而膨胀或收缩，这表明在生物医学设备或软机器人上的应用可能。
论文的共同作者、普林斯顿大学土木与环境工程助理教授李琉驰（Liuchi Li音译，20届博士毕业生）对PAMs的未来充满热情。他说：“我们可以设想结合先进的人工智能技术来加速对这一广阔设计空间的探索。我们目前仅仅只是触及到了可能性的表面。”
该研究得到了美国陆军研究办公室（Army Research Office: MURI ARO W911NF-22-2-0109）、加里·克林德创新基金（Gary Clinard Innovation Fund）、LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory, Office of Science: 22-ERD-004)以及美国能源部（U.S. Department of Energy: DE-AC52-07NA27344）的资助。
上述介绍仅供参考，欲了解更多信息敬请注意浏览原文和相关报道。
Reimagining Chain Mail: 3D Architected Materials That Adapt and Protect
Architected materials are engineered such that the structure of the base elements affects the mechanical properties. This engineering provides the ability to tune the materials’ response to stresses. Zhou et al. present a new family called polycatenated architected materials that link together wireframe elements into three-dimensional structures (see the Perspective by Tawfick and Arretche). The design strategy allows for tailored mechanical responses that are useful for developing stimuli-responsive or energy-absorbing systems, along with morphing architectures. —Brent Grocholski
Architected materials derive their properties from the geometric arrangement of their internal structural elements. Their designs rely on continuous networks of members to control the global mechanical behavior of the bulk. In this study, we introduce a class of materials that consist of discrete concatenated rings or cage particles interlocked in three-dimensional networks, forming polycatenated architected materials (PAMs). We propose a general design framework that translates arbitrary crystalline networks into particle concatenations and geometries. In response to small external loads, PAMs behave like non-Newtonian fluids, showing both shear-thinning and shear-thickening responses, which can be controlled by their catenation topologies. At larger strains, PAMs behave like lattices and foams, with a nonlinear stress-strain relation. At microscale, we demonstrate that PAMs can change their shapes in response to applied electrostatic charges. The distinctive properties of PAMs pave the path for developing stimuli-responsive materials, energy-absorbing systems, and morphing architectures.
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