3D打印新型構架材料！最新Science！

一、【科學背景】

結構化材料因其內部幾何結構的設計而展現出獨特的力學性能，在輕量化、高強度、負泊松比及非線性彈性變形等領域具有重要應用。然而，現有的結構化材料設計主要依賴剛性連接的桁架、板或殼狀網絡，其性能受限于周期性單元的構造，難以實現流體行為、多尺度調控及多功能響應。此外，顆粒晶體雖然具有幾何硬化和非線性波傳播等特性，但由于顆粒間缺乏粘結力，在無邊界約束下無法抵抗拉伸應力，導致整體結構缺乏內聚力。為滿足對多功能、高性能材料的需求，亟需探索能夠在宏觀與微觀尺度上兼具流體特性與固體力學性能的新型結構化材料。這些材料應具有可調的運動自由度、刺激響應能力及能量吸收特性，以應對現有材料設計中在靈活性、穩定性和多樣化應用方面的局限性。

二、【創新成果】

近日，加州理工大學Wenjie Zhou，Xiaoxing Xia，Chiara Daraio團隊在Science上發表了題為“3D polycatenated architected materials”的論文，本文提出了一類新型的多級聯結構化材料（PAMs），通過三維網絡中的離散環狀或籠狀顆粒實現多重拓撲聯鎖。研究構建了一個通用設計框架，將連續晶體網絡轉化為顆粒級聯幾何結構，顯著擴展了三維結構化材料的設計空間。

圖1 PAMs的設計策略 ? 2025 AAAS Science

圖2 重力誘導PAMs的松弛和單軸壓縮 ? 2025 AAAS Science

圖3 PAMs的剪切流變學試驗 ? 2025 AAAS Science

圖4 PAMs的尺度獨立性及其靜電驅動 ? 2025 AAAS Science

三、【科學啟迪】

本研究提出了一種全新的多級聯結構化材料設計框架，為實現機械性能的精準調控提供了理論基礎。這種材料能夠在宏觀與微觀尺度上展現非牛頓流體行為與非線性彈性響應，為開發刺激響應材料、能量吸收系統和可變形結構提供了重要啟示。研究證明了通過顆粒幾何和拓撲結構的設計，可以實現材料在流體與固體行為之間的轉換，以及對載荷響應的動態調節。這將推動多功能結構化材料的發展，對軟體機器人、形狀變換架構及高效能量管理領域產生深遠影響，并具有廣闊的應用潛力。

原文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9713