作者:梁旭东等 来源:《国家科学院院刊》 发布时间:2022/3/4 9:41:53
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中国学者创造超级材料:可吸收和释放惊人能量

 

张开的孔洞结构相(上图),闭合的孔洞结构相(下图)。.jpg

张开的孔洞结构相(上图),闭合的孔洞结构相(下图)。 梁旭东供图

《海贼王》路飞的橡胶手臂能在拉伸后获得巨大能量,在回弹瞬间锤飞对手。

现在,漫画竟然变成了现实!科研人员已经创造出一种超材料,当你把它拉伸到一定程度时,会激活储存在材料里的能量,一松手,爆发力惊人。更牛的是,他们还可以对这种材料进行编程,从而可以按需设计和控制超材料。

这种超材料的创造者,是哈尔滨工业大学(深圳)副教授梁旭东及其合作团队。近日,这篇论文成果发表在美国《国家科学院院刊》(PNAS)上。

评审专家对这篇论文给出了很高的评价,称“这项工作是高质量的,并对力学超材料领域发展作出了创新的贡献”。

超材料配方:磁铁+橡胶

我们小时候都玩过橡皮筋,当你用力拉伸它并突然松开时,它会瞬间弹出去。想象一下,现在有种超级橡皮筋,当你把它拉伸到某个节点再松手,它会飞得超级远。

这个假想的超级橡皮筋是该团队正在创造的一种“磁—弹性力学超材料”。这个超材料有两个主角:磁铁和橡胶。

原本不相干的两种材料,结合到一起会产生怎样的“魔力”呢?

“我们用激光切割机把橡胶‘挖’出特定的孔洞结构,在孔洞里嵌入磁铁。当拉伸该材料时,利用一种称为‘相变’的物理特性,能吸收与释放巨大的能量。”这篇文章的第一作者兼通讯作者梁旭东向《中国科学报》介绍。

“相变”这个概念大部分人比较陌生,其实在生活中随处可见。

当材料从一种状态转变到另外一种状态时,就会发生“相变”。比如固、液、气三种状态的变化就是非常典型的“相变”。当冰融化成水,或水变成水蒸气,就得吸收很多能量;而让水凝固成冰,则要释放很多能量。冰和水,水和水蒸气,都是一种物质的两种“相”。

不过,上述这些“相变”一般发生在原子与分子尺度,想要捕捉和操控它们都比较困难。

这项研究则要摆到宏观层面进行,所选的材料也并无过人之处。实验用的磁铁直径为3毫米,和橡胶一起,购买于普通商店。正所谓“平凡铸就伟大”,就是这么常见的材料,竟然创造出非凡的超能力。

“相变”正是超能力的核心,来自于两种能量的叠加效应。

梁旭东解释道,磁铁能相互吸引、排斥,嵌入到橡胶后,相互吸引的磁铁会让孔洞闭合,相互排斥的磁铁则让孔洞打开,这是磁场的能量。用力拉伸橡胶时,橡胶本身会发生机械变形,储存一些弹性能。把这两种能量叠加,就会转变成超材料的动能,释放出更强的爆发力。

从大自然中获得灵感

大自然是人类最好的老师:受小鸟的启发,人类发明了飞机;看到鱼的潜游,发明了潜水艇;受蝙蝠的启发,发明了雷达……这项研究也不例外。

“我们从一些能做出闪电般快速反应的生物中获得了灵感,比如捕蝇草能快速闭合,使飞虫根本来不及逃脱。”文章共同通讯作者、美国马萨诸塞大学阿默斯特分校高分子系教授Alfred J. Crosby说。

梁旭东用螳螂虾举例,“螳螂虾是一种非常神奇的生物,它的前爪能在水底环境大阻力下,仅用0.01秒瞬间就能加速到每秒30米的速度,像锤子一样敲碎贝壳或击退捕食者。”

这种短时间非常高速的爆发运动,是研究团队基于软物质在高速变形条件下的力学研究,想要达到的实验效果。

剖析实验原理是为了更好地掌控它,为将来的应用阶段打下基础。经过反复实验,他们发现改变三个方面就能控制“相变”——磁场、孔洞的排布和大小、橡胶材料的选择。

为此,他们还专门开发了一种数学模型,可以对材料进行编程,从而按需设计和控制“相变”。“你可以制造想要的任何类型的‘相变’材料。”Crosby说。

这大大拓宽了应用前景。

比如与软体机器人相结合。近年来,科技的飞速发展已经研制出一款软体机器人,这东西可以进入人体递送药物,也可以钻进血管清除血栓。

“我们取得的成果可以用来制作软体机器人的能量单元,通过储存能量和输出能量让软体机器人产生高速运动,就像螳螂虾的前爪一样秒发猛力,瞬间敲除血栓。”梁旭东说。

除了能量释放方面的应用,能量吸收也能在防护材料领域大有作为。

汽车制造商非常重视汽车防撞结构的制作,当汽车发生猛烈碰撞时,也可以通过超材料的“相变”原理来减缓冲击、吸收能量,将大部分冲击能量化解掉,从而达到保护车内乘客的目的。

这项本事还能用于新型安全头盔制作,甚至可以应用到航母的阻拦索工具上。

学科交叉的“狂欢”

梁旭东在2010年毕业于中山大学的理论与应用力学专业,随后保送到清华大学攻读力学专业的硕士研究生,2013年取得硕士学位。

随后,他赴美国加州大学圣地亚哥分校求学,所学专业为机械工程。机械工程系教授蔡盛强是梁旭东的“贵人”,“正是他把我领入科研之门,他传授了很多研究方法和思路,让我对科研产生了浓厚的兴趣。”梁旭东说。

这时的梁旭东,研究工作更多集中在固体力学,并未涉足在高速变形下的力学超材料研究。直到在美国马萨诸塞大学阿默斯特分校做博士后,他的研究视界一下子打开了。

导师Crosby是高分子材料科学家,也是一位不受条条框框约束的“引路人”。“他从不会给学生下达具体任务要求,而是教会我们从不同领域看问题的方法,为我们提供更广阔的探索空间。”梁旭东很感谢这位导师的指导。

这篇最新论文还有一位合作者,名叫付鸿博,是Crosby教授的博士生,他和梁旭东一起完成了实验的操作和材料的制备。

评审专家在对比了前人利用磁铁调控力学性能的工作后表示,“之前的研究并没有呈现类似这篇文章的系统理论分析的深度”。

谈及这项研究成功的“秘笈”,梁旭东归功于学科交叉。从求学经历来看,这一路走来,梁旭东的所学专业一直在发生变化。他也逐渐意识到,只有打破学科间的桎梏,形成知识的汇聚,才能拓宽眼界与视野。

“学科交叉是科研工作中非常幸运的一件事。”梁旭东说,“不同学科、不同领域、不同思想碰撞出的火花,才是最绚烂的。学科交叉的‘狂欢’也是我做科研的启发和驱动力。”(来源:中国科学报 张晴丹)

相关论文信息:https://doi.org/10.1073/pnas.2118161119

 
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