專訪 | 受2000多年前的古建筑啟發 呂堅教授團隊打造出既強又韌的超材料

對于結構材料，強度和延展性往往是“魚和熊掌不可兼得”。而這一次，呂堅教授團隊從古建筑結構中找到了“兼得”的靈感。

萬神殿是至今完整保存的唯一一座羅馬帝國時期建筑，始建于公元前27-25年。這座神殿最為人之贊嘆的是它無法逾越的穹頂。米開朗基羅宣稱這是：「天使所成，而非人為的設計」。

受2000多年前的建筑啟發，香港城市大學呂堅團隊設計了具有梯度螺旋的穹頂機械超材料，首次結合“超納雙相玻璃晶體”金屬涂層，得到的層級結構以其超輕、超高強度和良好的延展性的獨特組合特性，擴展了材料特性的空間范圍。相關研究結果以題為“The twisting of dome-like metamaterial from brittle to ductile”發表在《Advanced Science》（IF=15.84）上。

何為穹頂機械超材料？

據論文第一作者成勵子介紹，結構超材料可以表現出傳統塊體材料所不具備的機械性能。通過將特征尺寸減小到納米級，利用集成層級結構和尺寸效應，雙光子光刻技術制造的金屬/陶瓷微/納復合結構完整性大大增強，具有超高的比強度。但是，強度和延展性的獲得通常是相互排斥的。隨著薄膜厚度的增加，報道的結構材料通常以災難性的脆性失效而告終。于是有“越薄延展性越好”的尺寸效應，薄膜厚度通常小于100 nm甚至10nm，以實現尺寸誘導的脆性到延性轉變，卻也導致強度和剛度的提升不明顯。因此，仍需開發大膽的結構和力學性能優異的新型材料，使機械超材料更接近實際應用。

突破在哪里？研究團隊將目光投向了2000多年前的萬神殿。

成勵子介紹是受文藝復興三駕馬車之一的米開朗基羅在建筑史上的杰作啟發，穹頂結構是一類能夠以最少材料，圍合最大的空間，提供強度的系統。而機械超材料通常具有超輕超強超韌，受力扭轉等神奇性能，覺得非常有趣。所以想到了穹頂這類機械超材料，在微觀尺度下，集成層級結構和尺寸效應，應該會有很好的力學性能。

穹頂層級機械超材料的示意圖與微觀結構表征

穹頂結構的徑向梁和緯向梁相交以形成機械堅固的三角形單元，在受到軸向載荷時，拱和環通過局部彈性梁屈曲有效地將應變分配到地面，并承受較大的整體變形而不會發生破壞，因此具有超彈性。同時，盡管使用的材料很少，但穹頂建筑卻非常堅固，解耦了強度和密度的相互制約。而比起傳統的桁架結構，穹頂相互獨立，單元之間沒有牽制，因此能夠有效避免應力集中帶來的脆性失效。

研究團隊通過在穹頂建筑中引入螺旋梁來增強延展性，其目的引入手性特征，從而探索新的增韌機制。另一方面，通過引入不同梯度的螺旋梁，從而實現穹頂機械超材料的結構優化和力學調控。

創新之處

對于這種新型超材料，研究團隊認為創新點在于新結構。扭轉是反常力學。在經典的柯西連續介質力學里是禁止扭轉的，但是，他們開發出的穹頂實現了扭轉自由度。

并且首次把超納運用于3D打印結構。研究團隊首次在3D打印結構上使用了“超納米尺寸的雙相玻璃晶體”膜，雙相納米結構能夠同時實現超高屈服強度和大可塑性。研究團隊超納雙相材料制造和微納尺度3D打印支撐相互成全，才實現了這一類超輕力學結構。

性能突破。他們證明了微體系結構超材料可以占據迄今為空的材料屬性空間（低密度下的強度和韌性）區域。軸向荷載下結構的扭轉為材料提供了額外的變形模式，壓縮與扭轉變形模式耦合抑制了災難性破壞，因此實現了良好的強度-延性組合。

不同螺旋結構穹頂的力學表征

超納穹頂復合物良好的強度-延性組合，并與先前報道超材料比較。相比之前美國團隊在Science上報道的強韌微晶格，抗壓強度提高了73倍。

應用展望

對于這類超輕力學結構，研究團隊認為其優異的力學性能和獨特的形狀，為我們打印更大的宏觀耐損傷組件或輕質填充材料，及在人體血管里清除垃圾的微系統提供了輕巧的解決方案。

穹頂機械超材料的循環加載與潛在應用

團隊負責人呂堅教授是法國國家技術科學院（NATF）院士，香港工程科學院院士，香港城市大學機械工程系講座教授，國家貴金屬材料工程研究中心香港分社理事，先進結構材料中心主任。研究方向涉及先進結構與功能納米材料的制備和力學性能，機械系統仿真模擬設計。曾任法國機械工業技術中 (CETIM)高級研究工程師和實驗室負責人，法國特魯瓦技術大學機械系統工程系系主任，法國教育部與法國國家科學中心（CNRS）機械系統與并行工程實驗室主任，香港理工大學機械工程系系主任、講座教授，兼任香港理工大學工程學院副院長，香港城市大學副校長。曾任法國、歐盟和中國的多項研究項目的負責人，并與空客、EADS、寶鋼、安賽樂米塔爾、AREVA、ALSTOM、EDF、ABB、雷諾、標致等世界五百強公司有合作研究關系或為它們進行科學咨詢工作。曾任歐盟第五框架科研計劃評審專家；歐盟第六框架科研計劃咨詢專家；中國國家自然科學基金委海外評審專家，中科院首批海外評審專家，中科院沈陽金屬所客座首席研究員，東北大學、北京科技大學、南昌大學名譽教授，西安交通大學和西北工業大學顧問教授，上海大學、中山大學、中南大學等大學客座教授，中科院知名學者團隊成員，2011年被法國國家技術科學院（NATF）選為院士，是該院近300位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國總統任命獲法國國家榮譽騎士勛章及法國國家榮譽軍團騎士勛章，2018年獲中國工程院光華工程科技獎。已取得34項歐、美、中專利授權，在本領域頂尖雜志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nature Communications、Science Advances、 Advanced Science、PRL、Angew. Chem. 等專業雜志上發表論文400余篇，引用2萬8千余次（Google Scholar） 。