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硬過鋼鐵柔過橡膠，MIT打破硬度柔韌悖論！雙光子光刻造剛彈一體超級材料

文章來源：賢集網更新時間：2025-05-09 09:54:14

超材料，作為一類具備微觀精細結構的合成材料，憑借獨特的微觀構造賦予整體材料卓越非凡的性能，在眾多領域展現出巨大的應用潛力。然而，傳統超材料研發始終面臨一個棘手的難題：材料的硬度與柔韌性如同天平的兩端，一方增強往往意味著另一方的削弱，難以實現兩者兼顧的理想狀態。

但如今，這一困境被麻省理工學院的工程師們成功打破。他們通過創新的設計思路和先進的制備工藝，成功開發出一種前所未有的超材料，巧妙地將堅固性與彈性融為一體，為超材料領域的發展開辟了嶄新的道路。

突破傳統：從矛盾困境到創新構想

過往，超材料研發聚焦于制造比傳統材料更堅固、更堅硬的產品。常規超材料多采用緊密排列的剛性微觀結構，這種結構在承受外力時，能夠憑借其剛性特性保持形狀穩定，展現出較高的強度。然而，其代價是材料內部幾乎沒有可緩沖應力的空間，柔韌性極差。一旦所受應力超出材料的承受范圍，材料就會迅速發生斷裂，嚴重限制了其在復雜應力環境下的應用。

麻省理工學院副教授Carlos Portela及其團隊敏銳地察覺到這一問題的關鍵所在，開始大膽探索新的設計方向。Portela突發奇想：能否利用本身剛性的材料，通過精巧的圖案設計，使其呈現出柔軟且富有彈性的特質？這一創新性的想法，如同在黑暗中點亮了一盞明燈，為團隊的研究指明了方向。

在此之前，超材料領域鮮有人涉足軟物質領域的研究，主流方向始終圍繞尋找更堅硬、堅固的材料展開。Portela及其團隊決心打破這一傳統思維定式，踏上了探索合成柔軟且有彈性超材料的征程。他們摒棄了傳統基于晶格的超材料中打印微觀支柱的常規做法，嘗試制作一種由相互交織的彈簧或線圈組成的全新結構。令人驚喜的是，盡管所使用的基礎材料與堅硬的有機玻璃相同，但最終構建出的超材料卻如同橡膠一般，具備出色的柔軟度和彈性。

然而，新的問題隨之而來。這種超材料雖然彈性十足，但過于柔軟，順應性過強，在實際應用中缺乏足夠的剛度支撐。為了解決這一問題，團隊將目光投向了一種截然不同的材料——水凝膠。水凝膠是一種柔軟、富有彈性且類似果凍的材料，主要由水和少量聚合物結構構成。

此前，包括麻省理工學院團隊在內的眾多研究人員，已經成功找到了制造兼具柔軟彈性與堅韌特性水凝膠的方法。其關鍵在于巧妙組合具有顯著差異特性的聚合物網絡，例如將天然堅硬的分子網絡與本質柔軟的分子網絡進行化學交聯。受此啟發，Portela團隊大膽設想：能否將這種雙網絡設計理念引入超材料的設計中，從而創造出同時具備高剛度和高彈性特性的新型超材料？這一靈感的閃現，為后續的研究奠定了重要基礎。

微觀探秘：雙網絡結構的精妙構建

基于上述靈感，在新的研究中，Portela團隊精心設計并成功制造出一種具有獨特雙網絡結構的超材料。這種超材料由兩種微觀結構巧妙結合而成：其一為剛性的網格狀框架，由堅實的支柱和桁架搭建而成，為材料提供了穩定的力學支撐基礎，確保材料具備較高的強度和剛度；其二是圍繞每個支柱和桁架精心編織的線圈結構，如同給剛性框架穿上了一層彈性“外衣”，賦予材料出色的柔韌性和彈性變形能力。

值得一提的是，這兩種網絡結構均采用同一種丙烯酸塑料作為原材料，并借助先進的雙光子光刻技術一次性精確打印完成。雙光子光刻技術作為一種高精度的激光打印技術，能夠在微觀尺度上對材料進行精準加工。在打印過程中，飛秒激光束如同一位技藝精湛的微觀雕刻師，精確地按照預設的圖案和路徑，在丙烯酸塑料中進行選擇性固化，從而構建出復雜且精確的三維微觀結構。通過對激光參數和掃描路徑的精細調控，團隊成功實現了兩種網絡結構的緊密結合與協同工作，確保了材料性能的穩定性和一致性。

為了深入研究這種新型雙網絡超材料的性能，研究人員制備了一系列尺寸各異的樣品，其尺寸范圍從幾平方微米到幾平方毫米不等。隨后，他們對這些樣品展開了一系列嚴格且全面的壓力測試。在測試過程中，研究人員將樣品的兩端分別精準連接到專門定制的納米機械壓力機上，通過壓力機精確施加拉伸載荷，并同步精確測量將材料拉開所需的力的大小。同時，為了直觀觀察材料在拉伸和撕裂過程中的具體行為和變化情況，研究人員還利用高分辨率視頻錄制設備，對整個測試過程進行了全程記錄。

性能驗證：卓越表現遠超傳統材料

通過一系列嚴謹的測試，新型雙網絡超材料的卓越性能得以充分展現。研究發現，這種新型超材料在拉伸性能方面表現驚人，能夠輕松拉伸至自身原始長度的三倍之多。與之形成鮮明對比的是，使用相同丙烯酸塑料打印的傳統格子圖案超材料，其拉伸長度僅為新型超材料的十分之一。這一數據充分證明了新型雙網絡設計在提升材料拉伸性能方面的顯著優勢。

進一步探究其拉伸抗性的內在機制，發現其源于材料剛性支柱與受應力拉扯時雜亂盤繞編織結構之間的協同相互作用。當材料受到拉伸應力時，剛性的網格狀框架首先承擔主要載荷，憑借其堅固的結構抵抗變形。隨著應力的逐漸增大，剛性框架開始出現破裂，但此時纏繞在其上的柔軟編織結構開始發揮關鍵作用。破裂的剛性部分牽動周圍結構，使得編織結構中的線圈與晶格碎片相互糾纏，如同無數微小的“剎車”裝置，促使編織纖維之間產生大量的纏結。這種纏結現象不僅增加了材料內部的摩擦阻力，更重要的是實現了能量的有效耗散，從而極大地延緩了裂紋的擴展速度，使材料在承受大變形的情況下仍能保持結構的完整性。

更為重要的是，團隊在研究中還意外發現，在超材料中精心設置一些特定的漏洞或“缺陷”，不僅不會削弱材料的性能，反而能夠進一步優化材料的應力分布情況，使其變得更具彈性和耐撕裂性。按照傳統認知，材料中的缺陷往往會成為應力集中的薄弱點，導致材料性能下降。但在這種新型雙網絡超材料中，情況卻截然不同。當材料受力時，這些預設的缺陷能夠引導應力向周圍分散，避免應力在某一局部區域過度集中，從而有效提高了材料的整體性能。研究數據顯示，添加特定缺陷后，材料的拉伸量增加了一倍，能量耗散能力更是大幅提升了三倍之多。這一發現徹底顛覆了傳統對材料缺陷的認知，為材料設計提供了全新的思路。

為了更好地指導工程實踐，幫助工程師根據不同的應用需求設計和優化超材料，團隊還深入開展了理論研究工作，開發出一個先進的計算框架。該計算框架能夠依據剛性和彈性網絡的不同模式，準確預估超材料的各項性能參數。通過輸入不同的結構參數和材料特性，工程師可以利用該框架模擬超材料在各種工況下的性能表現，從而快速篩選出最適合特定應用場景的設計方案，大大縮短了超材料的研發周期，降低了研發成本。

應用展望：開啟多領域創新應用大門

這種新型雙網絡超材料的問世，在眾多領域展現出了極為廣闊的應用前景。在紡織領域，其出色的抗撕裂特性使其成為制造高性能防護紡織品的理想材料。無論是戶外運動裝備，還是工業防護服裝，使用這種超材料制作的紡織品能夠有效抵御外界的撕扯和磨損，為使用者提供更可靠的保護，同時還能保持良好的舒適性和柔韌性。

在電子領域，柔性半導體和電子芯片封裝對材料的柔韌性和堅固性有著極高的要求。新型超材料的出現恰好滿足了這一需求，其能夠為電子元件提供穩定的支撐和保護，有效緩沖外界的沖擊和振動，降低電子元件因受力而損壞的風險，從而顯著提高電子產品的可靠性和使用壽命。此外，其良好的柔韌性還使得電子設備在設計上能夠更加輕薄、靈活，為可穿戴電子設備等新興領域的發展提供了有力支持。

生物醫學領域同樣是新型超材料的重要應用方向之一。在組織修復和再生醫學中，需要使用耐用且適配性良好的支架來培養細胞，促進組織的修復和再生。新型雙網絡超材料憑借其獨特的力學性能，能夠為細胞提供一個與天然組織環境相似的力學微環境，促進細胞的黏附、增殖和分化，加速組織修復進程。同時，其良好的生物相容性也確保了在體內應用時不會引起明顯的免疫反應，為生物醫學應用的安全性提供了保障。

展望未來，Portela及其團隊表示，將繼續深入探索雙網絡設計理念在更多材料體系中的應用可能性。他們計劃嘗試將這一設計應用于陶瓷、金屬等傳統脆性材料，期望通過結構創新賦予這些材料前所未有的柔韌性和韌性。此外，團隊還設想通過調整網絡材料的成分和特性，賦予超材料更多新穎的功能。

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