由机械工程和应用物理学教授Chiara Daraio领导的加州理工学院实验室的最新研究，已经产生了一种引人注目的新型物质。这种材料被称为PAM（多链构建材料的缩写），表现出独特的特性，在某些应力下像流体一样行为，而在其他情况下则像固体。它的潜在应用范围广泛，从头盔这样的防护装备到生物医疗设备和机器人。
虽然PAMs并不是自然存在的，但其基本概念让人联想到古老的链甲制作技艺，其中小金属环相互连接形成灵活的护甲。与此不同，PAMs可以被视为链甲的高级版本。它们利用互锁的形状，由多种形式相互连接，创造出高度复杂的三维结构。包括达拉约和她的团队在内的研究人员，使用3D打印技术生产了这些创新材料，并发现了传统材料中未观察到的行为。
机械和土木工程的博士后研究员周文杰在达拉约的实验室专注于这些材料已有两年。周文杰最初接受的是化学训练，旨在创造微观结构，但发现这太困难了。这使他加入了达拉约的团队，探索PAMs的更大规模，研究它们独特的行为。
达拉约团队开发的PAMs最初在计算机上进行模拟。他们的目标是模拟晶体中的晶格模式，但用相互交错的环或多面笼代替固定的颗粒。
团队使用多种材料，如丙烯酸聚合物、尼龙和金属，3D打印了这些晶格结构。它们一旦变得可触及—通常呈立方体或约5厘米（2英寸）大小的球形—就会受到不同类型的物理应力。”我们从压缩开始，”周说，”对材料施加越来越大的压力。接下来，我们施加了简单的剪切力，类似于你试图撕裂某物。最后，我们进行了流变学测试，以观察它们如何反应于扭转，开始时动作缓慢，逐渐加速和增强强度。”
有趣的是，在某些情况下，PAMs的表现像液体。“如果你考虑对水施加剪切应力，”周解释说，“几乎没有任何阻力。由于PAMs具有许多协调运动，环和笼子像链条中的连接一样滑动，导致几乎没有剪切阻力。”然而，当这些结构被压缩时，它们可以变得完全坚硬，模仿固体物体的特性。
这种适应性使PAMs与众不同。“PAMs代表了一种全新的材料类别，”达拉约说。“通常，我们会区分固体和颗粒材料。固体材料通常由晶体晶格表示，就像传统的原子或化学结构。而颗粒材料则由独立移动和滑动的颗粒组成，比如大米或面粉。”
PAMs模糊了这些分类的界限。“PAMs将个别颗粒连接在一起，就像晶体结构。然而，由于这些颗粒可以相对移动，它们能够流动、滑动，并像沙粒一样改变位置，”达拉约澄清道。“PAMs之间的差异可以非常显著；你可以用软材料或硬材料生产它们，改变颗粒的形状，修改连接它们的晶格结构。每一种变化都会影响材料的整体行为。尽管如此，它们始终展现出流体和固体特性的转变—这一转变在不同条件下发生，但始终存在。”
“在过去的二三十年里，构建材料已经成为材料科学和工程的重要子领域，”达拉约补充道。“然而，PAMs因其结合了颗粒和弹性材料的属性而脱颖而出。我们对这些类别的每一种都有理论框架，但没有一个框架可以处理介于两者之间的材料。这是一个令人兴奋的新前沿，有望重新定义我们对材料及其行为的理解。”
目前，PAMs的应用主要是推测性的，但也令人信服。“这些材料具有独特的能量吸收能力。由于每个组件可以相互移动、旋转和重排，它们可以非常有效地耗散能量，”达拉约提到，对于头盔和其他保护装备等用途，PAMs可能超越传统泡沫材料。它们在包装以及需要缓冲或稳定的情况下也展示了潜力。
对微观PAM的研究表明，它们可以根据电荷以及物理力的作用而扩展或收缩，暗示了在生物医学设备或软机器人中的潜在应用。
李祐池，合著者之一，现在是普林斯顿大学的助理教授，对PAM的未来可能性感到兴奋：“我们可以设想利用先进的人工智能加速广阔设计潜力的探索。我们只是刚刚开始发掘这些材料可以做的事情。”
这项研究发表于期刊《科学》中，题为“3D多链构建材料”。合著者包括周、达拉约、Sujeeka Nadarajah、Hujie Yan（MS ’24）、Aashutosh K. Prachet和来自加州理工学院的Payal Patel；李来自普林斯顿；以及来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的Anna Guell Izard和Xiaoxing Xia（博士 ’19）。计算资源由加州理工学院高性能计算中心提供，该研究得到了美国陆军研究办公室、Gary Clinard创新基金、LLNL和美国能源部的支持。
