摘要：超材料是一类具有微观结构的合成材料，其赋予整体材料卓越的性能。过去，研发重点大多放在设计比传统超材料更坚固、更坚硬的产品上。然而，这里存在一个矛盾点：材料越硬，柔韧性往往就越差。

在超材料设计领域，游戏规则一直是“越强越好”。

超材料是一类具有微观结构的合成材料，其赋予整体材料卓越的性能。过去，研发重点大多放在设计比传统超材料更坚固、更坚硬的产品上。然而，这里存在一个矛盾点：材料越硬，柔韧性往往就越差。

如今，麻省理工学院的工程师们成功找到了一种方法，能让超材料既坚固又有弹性。通常情况下，基础材料高度刚性且易碎，但通过以精确、复杂的图案进行印刷，就能形成兼具坚固性与柔韧性的结构。

这种新材料的双重特性关键在于其结合了坚硬的微观支撑结构和柔软的编织架构。这种微观的“双重网络”是通过一种类似有机玻璃的聚合物打印而成，能够制造出一种材料，使其在不完全断裂的情况下可以拉伸至其原始尺寸的四倍以上。相比之下，其他形式的聚合物几乎没有伸展性，一旦出现裂痕就会很容易碎裂。

研究人员表示，这种新的双网络设计可应用于其他材料，比如制造弹性陶瓷、玻璃和金属。这种坚韧且可弯曲的材料，能用于制作抗撕裂纺织品、柔性半导体、电子芯片封装，还能制成耐用且适配性好的支架，用于培养细胞以进行组织修复。

“我们正在为超材料开拓新的领域，”麻省理工学院副教授 Carlos Portela 说道，“你可以打印双网金属或陶瓷，这样能获得诸多优势，因为破坏它们需要消耗更多能量，而且它们的拉伸性能也要好得多。”

Portela 及其同事于近日在 Nature Materials 杂志上发表了这一研究成果。其他作者包括 James Utama Surjadi，以及 Bastien Aymon 和 Molly Carton。

灵感源自水凝胶

与其他研究小组一样，Portela 和他的同事通常会使用类似有机玻璃和陶瓷的传统聚合物，采用打印或纳米加工微观晶格的方式来设计超材料。他们打印的特定图案或结构，能赋予最终的超材料非凡的强度和抗冲击性。

几年前，Portela 突发奇想，超材料能否由本身刚性的材料制成，但通过某种图案设计，使其变得更柔软、更具弹性呢？

“我们意识到，超材料领域此前并未真正尝试在软物质领域发挥影响，”他说，“到目前为止，大家都在寻找尽可能坚硬、最坚固的材料。”

于是，他开始探寻合成更柔软、更有弹性超材料的方法。他和团队没有像传统基于晶格的超材料那样打印微观支柱，而是制作了一种相互交织的弹簧或线圈组成的结构。他们发现，虽然使用的材料本身和有机玻璃一样坚硬，但最终编织出的超材料却像橡胶一样柔软且富有弹性。

“它们弹性十足，但过于柔软、顺应性太强了。”Portela 回忆道。

在寻找增强其较软超材料体积的方法时，团队从一种截然不同的材料——水凝胶中获得了灵感。水凝胶是一种柔软、有弹性、类似果冻的材料，主要由水和少量聚合物结构组成。包括麻省理工学院团队在内的研究人员，已经找到了制造既柔软有弹性又坚韧的水凝胶的方法。他们通过组合具有显著差异特性的聚合物网络来实现这一点，比如让天然坚硬的分子网络与本质柔软的分子网络发生化学交联。Portela 和他的同事由此想到，这种双网络设计能否应用于超材料呢？

“那一刻，我们灵感迸发，”Portela 说，“我们心想：能不能从这些水凝胶中获取灵感，创造出兼具刚度和弹性特性的超材料呢？”

双网络设计打造“刚柔并济”超材料

在新研究中，团队通过结合两种微观结构制造出一种超材料。第一种是由支柱和桁架组成的刚性网格状框架，第二种是围绕每个支柱和桁架编织的线圈结构。这两种网络均由相同的丙烯酸塑料制成，并采用一种名为双光子光刻的高精度激光打印技术一次性打印完成。

研究人员打印出这种新型双网络超材料样品，每个样品的尺寸从几平方微米到几平方毫米不等。他们对材料进行了一系列压力测试，在测试过程中，将样品的两端分别连接到专门的纳米机械压力机上，测量将材料拉开所需的力。同时，他们还录制了高分辨率视频，用于观察材料在拉伸和撕裂时的具体位置及方式。

他们发现，这种新型双网络设计能够拉伸至自身长度的三倍，相比使用相同丙烯酸塑料打印的传统格子图案超材料，拉伸长度恰好是其 10 倍。Portela 表示，新材料的拉伸抗性源于材料刚性支柱，与材料受应力拉扯时较为杂乱的盘绕编织结构之间的相互作用。

“可以把这个编织网络想象成缠在格子上的一团意大利面条。当整体晶格网络破裂时，破损部分会牵动周围，此时这些‘意大利面条’就会与晶格碎片纠缠在一起，”Portela 解释道，“这会促使编织纤维之间产生更多缠结，意味着有更多摩擦和能量耗散。”

换句话说，由于开裂的支柱会引发多处缠结，缠绕在材料刚性晶格上的较软结构就能承受更大应力。因为这种应力在材料中分布并不均匀，所以最初出现的裂纹不太可能直接贯穿材料并使其迅速撕裂。更重要的是，团队发现，如果在超材料中设置一些特定的漏洞或“缺陷”，还能进一步分散材料所承受的应力，使其更具弹性，更耐撕裂。

“你可能觉得这样会让材料性能变差，”该研究的合著者 Surjadi 说，“但我们发现，一旦开始添加这些缺陷，材料的拉伸量增加了一倍，耗散的能量更是增加了三倍。这让我们得到了一种既坚硬又坚韧的材料，而这两种特性通常是相互矛盾的。”

团队还开发了一个计算框架，能帮助工程师根据刚性和弹性网络模式，预估超材料的性能。他们认为，这样的设计蓝图将有助于设计防撕裂纺织品和织物。

“我们还想在更脆的材料上尝试这种方法，赋予它们更多功能，”Portela 说，“目前我们讨论的主要是机械性能，但如果能让材料导电或对温度产生响应呢？为此，可以用不同的聚合物制作这两个网络，使其对温度有不同的响应。这样一来，织物就能在温度变化时，实现孔隙开合，或者在温暖时更柔顺，寒冷时更坚硬。这是我们接下来可以探索的方向。”

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来源：DeepTech深科技一点号