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Science封面:“你戳我,我就扭”的超材料诞生!
时间:2017-11-24 09:59:06来源:果壳科学人
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提要:新的超材料给结构设计带来了的新的自由度。而对于运用材料的人们来说,新的自由度,就意味着全新的,更加广阔的想象空间。
Science封面:“你戳我,我就扭”的超材料诞生!

从上方压缩具有手性的三维弹性超材料导致其产生了扭曲(以及常见的轴向压缩和横向拉伸或膨胀)。 最暗的橙色区域表示最高的扭转程度。 在普通弹性体中无法实现的扭转运动有助于设计复杂的机械结构。 图片来源:Science | 制图:C. Bickel

各种各样人造材料和天然材料的应用支撑着人类社会的发展,人类社会发展的需求也不断促进着各种各样新型材料的诞生。为了拥有更坚固的住房,我们用更坚固的钢筋代替木材;为了飞机飞得更快,我们用更轻的碳纤维代替钢和铝合金。波音787的机翼就大量使用了碳纤维,而作为一名普通的乘客,你可能很难意识到这是怎样的巨大进步。现代科技的进步已经让我们对包括新材料在内的很多事情都感到稀松平常。

对新材料应用感到稀松平常的另一个原因,也许是这些材料仍然符合我们千百年来进化形成的直觉。这些新材料只是密度小点,韧性强些,耐腐蚀些嘛,也没有什么了不起。我拉伸它,它仍然会收缩变细;我用光照它,光在里面仍然要正常地折射;它密度低也低不了多少,力学性能可能还会变得很差。

1987年,RODERIC LAKES发表了一项工作[1]。他研发了一类泡沫材料——如果你拉伸这种材料,它不但不会收缩变细,反而会膨胀。这颠覆了人们的认知。自此开始,更多具有奇特性质的材料被发现。这些材料有的在具有相似机械性能的条件下能比正常材料的密度低三个数量级[2];有的可以让光在其中向相反的方向折射[3]。正如人们把具有超能力的人称为超人一样,人们把这类具备反直觉的特殊性能的人造材料称为超材料(metamaterials)。科学家们为了探索更多的超材料实现千奇百怪的性能不断努力着。

能让光向相反的方向折射(负折射率)的材料示意。图片来自Wikipedia,制图:Jeffrey D. Wilson翻译:蔡导

相比于超材料的膨胀和收缩,扭转似乎是一种更难发生的过程。如果材料发生了扭转,往往意味着材料存在手性,也就是材料中某些结构单元的镜像无法与其自身重合,就像人的左手和右手。

科学家可以把上面提到的超材料堆叠起来,构造一系列精细的结构,让整个结构在宏观仍然表现出超材料才有的膨胀收缩性质,但是无论怎么膨胀收缩,结构整体并不会出现任何角度的变化。

弹簧受到的力和形变成正比。这从初中开始就耳熟能详的胡克定律自提出到现在,在350年的时间里如同一个魔咒笼罩在整个弹性力学之上。然而,随着机械加工技术的进步和学科的发展,近日,这一魔咒被打破了。

刚刚发表在《科学》(Science)杂志上的一篇论文,正式揭示了一类随着压缩会产生扭转的超材料[4]。 作者通过大量的计算和优化,设计了一个独特的结构单元。这种结构单元与其他一般材料的结构有一个显著的不同,就是没有镜面对称性。也就是这种结构单元在镜子中的像无法与结构单元自身重合,而是变成了另一个方向,如同人的左手和右手。通过先进的三维激光微印制造技术,把不同数量的结构单元堆叠在一起就能加工出同样具有手性的整体新材料来。在压力的作用下,手性结构让这种新材料展现出了不对称的形变——因为环形结构对力的传导,受到挤压的结构单元并没有像常规材料那样向四周膨胀,而是发生了扭转。

(A)常规材料压缩后将向四周膨胀。(B)新发现的超材料压缩后则会扭曲,(C)新超材料的结构单元不具备镜面对称性(D)其受力之后,不同位置的位移变化导致了上平面相对于底面发生了扭转。图片来源:参考文献[4]

将这类结构单元进行堆叠之后,作者惊奇的发现,形成的宏观材料仍然在宏观上展现出了受力旋转的特性。然而,想要测量整体材料在压力下的行为,量化材料受力时的旋转量时,出现了问题。如果我们用仪器夹住这种“受力会扭”的结构单元,当结构单元受到压力时,由于存在扭转,上下两个面必定有一个会因为扭转产生与仪器的滑移,进而影响测量准确性。为了更好的测量材料的旋转,作者设计了两个扭转方向相反的弹性体,并把它们连接在一起,这样得到的连接体总的扭转被抵消了,在两端都不会有滑移,从而保证了测量准确。

通过测量,作者发现,只有4个结构单元直接堆叠在一起时旋转量最大。继续增加堆叠在一起的结构单元的数量,整体材料仍然具有旋转的特性,虽然旋转量会逐渐减小,但幅度并不算大。把500个结构单元堆叠在一起,整体材料的旋转量也仍然相当显著——只相比4个结构单元的情况减少了一半。相比之下,具有非手性结构单元的材料无论如何积压,旋转始终严格是0。

构造的宏观体的具体形状。A-E是不同数量的微观结构堆叠的样子,而F是一个不带手性的对照样品。G-L是其对应的结构单元的结构和尺寸。从图中可以看到,结构单元的大小大部分在几十到几百微米级别,体现出了极高的精密加工精度。从A到E结构单元的数量增加,扭转量逐渐减小(但仍存在),而相对应的具有类似于L结构单元的弹性体则始终没有扭转产生。图片来源:参考文献[4]

此外,作为材料基本性质的杨氏模量(材料受力和材料变形量的比值,类似弹簧的弹性系数)在这种新材料中展现出了随结构单元数量变化的奇异性质。本来作为材料的一种基本性质,杨氏模量是不应当随着基本结构单元数量的变化而发生变化的。因为弹性力学中考虑的最小尺度往往要远远大于结构单元的尺寸,结构单元数量太多了。但是在这种奇异的超材料中,随着结构单元数量的增加,它的有效杨氏模量显著提升,而作为对照的普通材料的杨氏模量没什么变化。这似乎颠覆了传统的弹性力学。但其实,利用微观的弹性力学和基于弹性力学的计算机模拟,科学家仍然能够解释和预测这类奇妙的变化。

左边数据图展现了扭转和有效杨氏模量随结构单元数量的变化,展现出了奇异的特征。右图是微观的计算机模拟结果,其仍然能够很好解释这一现象。图片来源:参考文献[4]

这类超材料将会有十分广泛的应用。例如作为弹性的介质,在其中传递的纵波将会被转化为扭转波,这类结构将有助于我们理解生物体中(如骨骼中)存在的类似现象,从而促进仿生材料的设。如果运用在建筑体中,将能很好的拓展结构设计的范围。

新的超材料给结构设计带来了的新的自由度。而对于运用材料的人们来说,新的自由度,就意味着全新的,更加广阔的想象空间。

参考文献

[1] Lakes R. Foam Structures with a Negative Poisson's Ratio[J]. Science. 1987, 235(4792): 1038-1040.

[2] Zheng X, Lee H, Weisgraber T H, et al. Ultralight, Ultrastiff Mechanical Metamaterials[J]. SCIENCE. 2014, 344(6190): 1373-1377.

[3] Mackay T G, Lakhtakia A. Negative refraction, negative phase velocity, and counterposition[J]. 2009.

[4] Frenzel T, Kadic M, Wegener M. Three-dimensional mechanical metamaterials with a twist[J]. Science. 2017, 358(6366): 1072-1074.

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作者系蔡导

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