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硬过钢铁柔过橡胶，MIT打破硬度柔韧悖论！双光子光刻造刚弹一体超级材料

文章来源：贤集网更新时间：2025-05-09 09:54:14

超材料，作为一类具备微观精细结构的合成材料，凭借独特的微观构造赋予整体材料卓越非凡的性能，在众多领域展现出巨大的应用潜力。然而，传统超材料研发始终面临一个棘手的难题：材料的硬度与柔韧性如同天平的两端，一方增强往往意味着另一方的削弱，难以实现两者兼顾的理想状态。

但如今，这一困境被麻省理工学院的工程师们成功打破。他们通过创新的设计思路和先进的制备工艺，成功开发出一种前所未有的超材料，巧妙地将坚固性与弹性融为一体，为超材料领域的发展开辟了崭新的道路。

突破传统：从矛盾困境到创新构想

过往，超材料研发聚焦于制造比传统材料更坚固、更坚硬的产品。常规超材料多采用紧密排列的刚性微观结构，这种结构在承受外力时，能够凭借其刚性特性保持形状稳定，展现出较高的强度。然而，其代价是材料内部几乎没有可缓冲应力的空间，柔韧性极差。一旦所受应力超出材料的承受范围，材料就会迅速发生断裂，严重限制了其在复杂应力环境下的应用。

麻省理工学院副教授Carlos Portela及其团队敏锐地察觉到这一问题的关键所在，开始大胆探索新的设计方向。Portela突发奇想：能否利用本身刚性的材料，通过精巧的图案设计，使其呈现出柔软且富有弹性的特质？这一创新性的想法，如同在黑暗中点亮了一盏明灯，为团队的研究指明了方向。

在此之前，超材料领域鲜有人涉足软物质领域的研究，主流方向始终围绕寻找更坚硬、坚固的材料展开。Portela及其团队决心打破这一传统思维定式，踏上了探索合成柔软且有弹性超材料的征程。他们摒弃了传统基于晶格的超材料中打印微观支柱的常规做法，尝试制作一种由相互交织的弹簧或线圈组成的全新结构。令人惊喜的是，尽管所使用的基础材料与坚硬的有机玻璃相同，但最终构建出的超材料却如同橡胶一般，具备出色的柔软度和弹性。

然而，新的问题随之而来。这种超材料虽然弹性十足，但过于柔软，顺应性过强，在实际应用中缺乏足够的刚度支撑。为了解决这一问题，团队将目光投向了一种截然不同的材料——水凝胶。水凝胶是一种柔软、富有弹性且类似果冻的材料，主要由水和少量聚合物结构构成。

此前，包括麻省理工学院团队在内的众多研究人员，已经成功找到了制造兼具柔软弹性与坚韧特性水凝胶的方法。其关键在于巧妙组合具有显著差异特性的聚合物网络，例如将天然坚硬的分子网络与本质柔软的分子网络进行化学交联。受此启发，Portela团队大胆设想：能否将这种双网络设计理念引入超材料的设计中，从而创造出同时具备高刚度和高弹性特性的新型超材料？这一灵感的闪现，为后续的研究奠定了重要基础。

微观探秘：双网络结构的精妙构建

基于上述灵感，在新的研究中，Portela团队精心设计并成功制造出一种具有独特双网络结构的超材料。这种超材料由两种微观结构巧妙结合而成：其一为刚性的网格状框架，由坚实的支柱和桁架搭建而成，为材料提供了稳定的力学支撑基础，确保材料具备较高的强度和刚度；其二是围绕每个支柱和桁架精心编织的线圈结构，如同给刚性框架穿上了一层弹性“外衣”，赋予材料出色的柔韧性和弹性变形能力。

值得一提的是，这两种网络结构均采用同一种丙烯酸塑料作为原材料，并借助先进的双光子光刻技术一次性精确打印完成。双光子光刻技术作为一种高精度的激光打印技术，能够在微观尺度上对材料进行精准加工。在打印过程中，飞秒激光束如同一位技艺精湛的微观雕刻师，精确地按照预设的图案和路径，在丙烯酸塑料中进行选择性固化，从而构建出复杂且精确的三维微观结构。通过对激光参数和扫描路径的精细调控，团队成功实现了两种网络结构的紧密结合与协同工作，确保了材料性能的稳定性和一致性。

为了深入研究这种新型双网络超材料的性能，研究人员制备了一系列尺寸各异的样品，其尺寸范围从几平方微米到几平方毫米不等。随后，他们对这些样品展开了一系列严格且全面的压力测试。在测试过程中，研究人员将样品的两端分别精准连接到专门定制的纳米机械压力机上，通过压力机精确施加拉伸载荷，并同步精确测量将材料拉开所需的力的大小。同时，为了直观观察材料在拉伸和撕裂过程中的具体行为和变化情况，研究人员还利用高分辨率视频录制设备，对整个测试过程进行了全程记录。

性能验证：卓越表现远超传统材料

通过一系列严谨的测试，新型双网络超材料的卓越性能得以充分展现。研究发现，这种新型超材料在拉伸性能方面表现惊人，能够轻松拉伸至自身原始长度的三倍之多。与之形成鲜明对比的是，使用相同丙烯酸塑料打印的传统格子图案超材料，其拉伸长度仅为新型超材料的十分之一。这一数据充分证明了新型双网络设计在提升材料拉伸性能方面的显著优势。

进一步探究其拉伸抗性的内在机制，发现其源于材料刚性支柱与受应力拉扯时杂乱盘绕编织结构之间的协同相互作用。当材料受到拉伸应力时，刚性的网格状框架首先承担主要载荷，凭借其坚固的结构抵抗变形。随着应力的逐渐增大，刚性框架开始出现破裂，但此时缠绕在其上的柔软编织结构开始发挥关键作用。破裂的刚性部分牵动周围结构，使得编织结构中的线圈与晶格碎片相互纠缠，如同无数微小的“刹车”装置，促使编织纤维之间产生大量的缠结。这种缠结现象不仅增加了材料内部的摩擦阻力，更重要的是实现了能量的有效耗散，从而极大地延缓了裂纹的扩展速度，使材料在承受大变形的情况下仍能保持结构的完整性。

更为重要的是，团队在研究中还意外发现，在超材料中精心设置一些特定的漏洞或“缺陷”，不仅不会削弱材料的性能，反而能够进一步优化材料的应力分布情况，使其变得更具弹性和耐撕裂性。按照传统认知，材料中的缺陷往往会成为应力集中的薄弱点，导致材料性能下降。但在这种新型双网络超材料中，情况却截然不同。当材料受力时，这些预设的缺陷能够引导应力向周围分散，避免应力在某一局部区域过度集中，从而有效提高了材料的整体性能。研究数据显示，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。这一发现彻底颠覆了传统对材料缺陷的认知，为材料设计提供了全新的思路。

为了更好地指导工程实践，帮助工程师根据不同的应用需求设计和优化超材料，团队还深入开展了理论研究工作，开发出一个先进的计算框架。该计算框架能够依据刚性和弹性网络的不同模式，准确预估超材料的各项性能参数。通过输入不同的结构参数和材料特性，工程师可以利用该框架模拟超材料在各种工况下的性能表现，从而快速筛选出最适合特定应用场景的设计方案，大大缩短了超材料的研发周期，降低了研发成本。

应用展望：开启多领域创新应用大门

这种新型双网络超材料的问世，在众多领域展现出了极为广阔的应用前景。在纺织领域，其出色的抗撕裂特性使其成为制造高性能防护纺织品的理想材料。无论是户外运动装备，还是工业防护服装，使用这种超材料制作的纺织品能够有效抵御外界的撕扯和磨损，为使用者提供更可靠的?；?，同时还能保持良好的舒适性和柔韧性。

在电子领域，柔性半导体和电子芯片封装对材料的柔韧性和坚固性有着极高的要求。新型超材料的出现恰好满足了这一需求，其能够为电子元件提供稳定的支撑和?；ぃ行Щ撼逋饨绲某寤骱驼穸?，降低电子元件因受力而损坏的风险，从而显著提高电子产品的可靠性和使用寿命。此外，其良好的柔韧性还使得电子设备在设计上能够更加轻薄、灵活，为可穿戴电子设备等新兴领域的发展提供了有力支持。

生物医学领域同样是新型超材料的重要应用方向之一。在组织修复和再生医学中，需要使用耐用且适配性良好的支架来培养细胞，促进组织的修复和再生。新型双网络超材料凭借其独特的力学性能，能够为细胞提供一个与天然组织环境相似的力学微环境，促进细胞的黏附、增殖和分化，加速组织修复进程。同时，其良好的生物相容性也确保了在体内应用时不会引起明显的免疫反应，为生物医学应用的安全性提供了保障。

展望未来，Portela及其团队表示，将继续深入探索双网络设计理念在更多材料体系中的应用可能性。他们计划尝试将这一设计应用于陶瓷、金属等传统脆性材料，期望通过结构创新赋予这些材料前所未有的柔韧性和韧性。此外，团队还设想通过调整网络材料的成分和特性，赋予超材料更多新颖的功能。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_574406.html
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