MIT新技术 陶瓷玻璃等材料变柔韧不是梦

【中国观察2025年05月25日讯】为了探索更好的材料，科学家持续改良现有材料，寻求更多新的可能性，使其具备原本欠缺的特性。这次，美国麻省理工学院（MIT）研发一种新的制造方法，有望让原本易碎的陶瓷、玻璃和半导体等坚硬材料有机会获得拉伸特性。
过去，超材料的开发，主要聚焦在保持低密度情况下，使其内部的晶格结构可以变得更加坚硬和抗压。然而，其内部的接头和节点通常会引起应力集中，容易在拉深或延展的过程中出现破裂，影响其整体的延展性或拉伸性。
虽然科学界透过晶格互穿、螺旋和编织晶格等方式，成功抑制裂纹扩散，提升材料刚度和拉伸性质，但这需要在刚度和拉伸性之间进行权衡，限制了超材料原本该有的潜在性能。
为了解决这个问题，麻省理工学院（MIT）的工程师使用制作胶黏剂的材料，分别作出柔韧性和刚性的聚合物，并采用双网络（DN）方式结合聚合物，使其兼具坚固与弹性，成为无需牺牲原有特性的机械超材料。这项研究成果于4月23日发表在《自然》杂志上。
超材料（Metamaterial）又称超构材料，是指具自然界没有的人造特殊性质材料。虽然超材料的成分上没有什么特别之处，但其独特性质源于大量极小的特殊几何结构。
麻省理工学院实验团队透过高精度激光（雷射）3D列印，将具有类似有机玻璃和陶瓷特性的丙烯酸酯（acrylic ester）聚合物，打印成奈米级的微观晶格，并以单片桁架作为“骨架”，让柔性物质编织在上面整合成“双网络”结构。
实验人员发现，虽然他们使用的材料本身像有机玻璃一样坚硬，但由此编织的超材料却像橡胶一样柔软有弹性，兼具柔软性和刚性两种性质。
他们还对材料进行了一系列压力测试，发现“双网络”超材料，比单纯的材料拥有更高刚度和拉伸性，甚至可以拉伸至本身长度的10倍后，还能不会完全断裂。相较之下，其它形式的聚合物几乎无拉伸性，容易在拉伸过程中破碎。
实验人员表示，新材料的抗拉伸性来自于材料在受到压力和拉伸时，其刚性支柱与混乱卷曲编织的相互作用。由于破裂支柱产生更多的缠结，缠绕于刚性晶格上，使其整体结构能够承受更大压力。
此外，实验团队发现，如果在超材料中战略性的加入一些“缺陷”，可使“双网络”超材料比原本更具弹性和耐撕裂性。该团队还开发了一个计算框架，让工程师可以根据超材料的性能，设计出一些防撕裂的纺织品。
实验人员表示，新的双网路设计可应用于其它材料，包括弹性陶瓷、玻璃和金属，或制成可以抗撕裂纺织品、柔性半导体、电子晶片封装上，甚至未来用于培养具有修复性质的细胞组织。
他们还计划让这种双网络超物质，能随着电力或温度做出反应。例如制成一种可以随着温度变化的织物，温暖时就变得透气且柔软，寒冷时则变得更加坚硬。
麻省理工学院罗伯特·诺伊斯职业发展副教授卡洛斯·波特拉（Carlos Portela）对该校新闻社表示，“过去我们都在寻找最坚硬、最坚固的超材料，未尝试应于用于软物质。如今团队正在为超材料开辟这个新领域，计划将金属或陶瓷透过双网络方式进行列印，以此获得更好的材料。”
波特拉解释道，“大家可以想像这种双网络超物质，就像一团意大利面条缠绕于格子上。当我们破坏格子网络时，这些意大利面条就会与格子的碎片纠缠，形成更多缠结，而这些缠结使材料更坚固。”
该研究的第一作者、麻省理工博士后詹姆斯·‧乌塔玛‧苏加迪（James Utama Surjadi）则表示，“你可能认为添加缺陷会劣化材料，但我们实际发现这种缺陷能使超材料的拉伸量增加一倍，且分散能量的能力增加三倍。”
波特拉说补充道，“我们计划在更脆材料上应用此方法，赋予其多功能性。”
这项研究得到了美国国家科学基金会和麻省理工学院MechE MathWorks种子基金的部分资助。