2025年1月17日，Science期刊以封面形式發(fā)表了一篇題為“3D polycatenated architected materials”的文章，介紹了一種新型的架構(gòu)材料——3D多聯(lián)結(jié)構(gòu)材料。作者為中國(guó)學(xué)者周文杰，現(xiàn)為加州理工大學(xué)博士后。3D打印技術(shù)在這一研究過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，使得研究人員能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的物理模型，進(jìn)而研究其獨(dú)特的力學(xué)性能和潛在應(yīng)用。

3D多聯(lián)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)通過(guò)周期性重復(fù)單元格或無(wú)序架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的宏觀性能不同，它由離散的環(huán)或籠狀粒子在三維網(wǎng)絡(luò)中相互鎖定構(gòu)成，在宏觀和微觀尺度上均表現(xiàn)出獨(dú)特的力學(xué)性能和可設(shè)計(jì)性。這種設(shè)計(jì)不僅賦予了材料獨(dú)特的力學(xué)性能，還使其在響應(yīng)外部刺激時(shí)展現(xiàn)出可調(diào)控的變形能力。

研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)PAMs結(jié)構(gòu)的精確設(shè)計(jì)，并使用一種脆性丙烯酸聚合物3D打印制造了N×N×N陣列的3D多聯(lián)結(jié)構(gòu)。通過(guò)3D打印，研究者能夠精確控制PAMs的幾何形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而研究其在不同加載條件下的力學(xué)響應(yīng)。測(cè)試表明，PAMs小應(yīng)變下具有非牛頓流體特性，可通過(guò)連接拓?fù)淇刂?；大?yīng)變下呈現(xiàn)非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。其還能微觀響應(yīng)靜電荷變形，可用于刺激響應(yīng)材料、能量吸收系統(tǒng)和變形建筑等領(lǐng)域。

3D多聯(lián)結(jié)構(gòu)（PAMs）在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。在航空航天領(lǐng)域，其靜電響應(yīng)特性可用于制造快速展開(kāi)的太陽(yáng)能帆和天線等可展開(kāi)結(jié)構(gòu)，同時(shí)憑借出色的能量吸收與防護(hù)能力，可保護(hù)航天器及內(nèi)部設(shè)備安全。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，PAMs的柔軟性、可變形性及對(duì)電荷的反應(yīng)性，使其可用于制造柔性醫(yī)療設(shè)備、智能生物材料以及組織工程支架，為個(gè)性化醫(yī)療和組織修復(fù)提供新途徑。在機(jī)器人領(lǐng)域，PAMs的流動(dòng)特性和剛性轉(zhuǎn)換能力使其成為軟體機(jī)器人的理想材料，可提升機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)能力，還能用于制造更安全、靈活的人機(jī)交互設(shè)備，拓展機(jī)器人的應(yīng)用范圍。

3D打印技術(shù)在PAMs的研究中起到了至關(guān)重要的作用。它不僅使得復(fù)雜的設(shè)計(jì)能夠被精確地制造出來(lái)，還允許研究者在微觀尺度上構(gòu)建材料，以探索其在不同條件下的獨(dú)特力學(xué)性能和響應(yīng)行為。例如，通過(guò)雙光子光刻結(jié)合后處理的氧等離子體刻蝕技術(shù)，研究者制造了微尺度的PAMs，這些PAMs在電靜力作用下能夠迅速且可逆地改變形狀，展現(xiàn)出“可鎖定”的三維形狀變形行為。本文為創(chuàng)造具有前所未有的力學(xué)性能和響應(yīng)控制的架構(gòu)材料奠定了基礎(chǔ)。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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