比人类头发小的结使材料异常坚韧

发布时间：2023-03-10 20:26:38 栏目：生活

导读 在纳米和微结构材料的最新进展中，加州理工学院的工程师开发了一种由众多相互连接的微尺度结制成的新材料。这些结使材料比结构相同但未打结

在纳米和微结构材料的最新进展中，加州理工学院的工程师开发了一种由众多相互连接的微尺度结制成的新材料。



这些结使材料比结构相同但未打结的材料坚韧得多：它们吸收更多的能量，能够变形更多，同时仍然能够完好无损地恢复到原来的形状。这些新的打结材料由于其耐用性、可能的生物相容性和极端的变形性，可以在生物医学和航空航天应用中得到应用。

“克服材料变形性和拉伸韧性(拉伸而不断裂的能力)之间的一般权衡的能力为设计极其灵活，耐用并且可以在极端条件下运行的设备提供了新的方法，”前加州理工学院研究生Widianto P. Moestopo说，现在在劳伦斯利弗莫尔国家实验室。Moestopo是8月<>日发表在《科学进展》上的一篇关于纳米结的论文的主要作者。

Moestopo在Julia R. Greer，Ruben F.和Donna Mettler材料科学，力学和医学工程教授的实验室中帮助开发了这种材料;卡夫利纳米科学研究所弗莱彻琼斯基金会主任;论文资深作者。格里尔处于创造这种纳米结构材料的最前沿，或者其结构在纳米尺度上设计和组织的材料，因此表现出不寻常的，通常是令人惊讶的特性。

“开始了解节点如何影响微观结构材料的机械响应是一个开箱即用的新想法，”格里尔说。“我们对研究许多其他类型的微纺织品的机械变形进行了广泛的研究，例如格子和编织材料。冒险进入结的世界使我们能够更深入地了解摩擦和能量耗散的作用，并被证明是有意义的。

每个结的高度和宽度约为70微米，每根纤维的半径约为1.7微米(约为人类头发半径的百分之一)。虽然这些不是有史以来最小的结 - 在2017年，化学家打了一个由单个原子链制成的结 - 但这确实代表了第一次创造出由这种规模的众多结组成的材料。此外，它证明了将这些纳米级结包含在材料中的潜在价值 - 例如，用于生物医学中的缝合或系留。

由聚合物制成的打结材料表现出的拉伸韧性远远超过未打结但在其他方面结构相同的材料，包括单股交织而不是打结的材料。与未打结的同类材料相比，打结的材料吸收的能量多 92%，并且在拉动时需要两倍以上的应变才能折断。

这些结不是打结的，而是通过使用能够产生纳米级结构的先进高分辨率3D光刻技术在打结状态下制造的。《科学进展》论文中详述的样品包含简单的结——一个带有额外扭曲的过手结，在材料拉伸时提供额外的摩擦以吸收额外的能量。未来，该团队计划探索由更复杂的结构成的材料。

Moestopo对结的兴趣源于他在2020年COVID-19封锁期间进行的研究。“我遇到了一些研究人员的作品，他们正在研究物理结的力学，而不是纯粹数学意义上的结。我不认为自己是登山者、水手或数学家，但我一生都在打结，所以我认为在我的设计中加入打结是值得的，“他说。

这篇论文有一个开玩笑的标题——“结不是徒劳的：分层交织的微架构材料的设计、属性和拓扑学”。海军研究。