工程师们制造了一种不仅坚固而且有弹性的超材料。他们的新方法可以实现可拉伸的陶瓷、玻璃和金属，从而用于防撕裂的纺织品或可拉伸的半导体。
在超材料设计中，一直以来的游戏规则是“更强更好”。
超材料是具有微观结构的合成材料，使得整体材料具有特殊的优异性能。研究的一个重点一直是在设计比其常规对应物更强和更硬的超材料。但这是一种权衡：材料越硬，柔韧性越差。
麻省理工学院的工程师们现在找到了一种制造同时强大而又有弹性的超材料的方法。基础材料通常非常刚性且脆，但它是以精确复杂的图案打印而成，形成一种既强大又灵活的结构。
新材料的双重特性的关键在于刚性的微观支撑和柔软的编织结构的结合。这种用类似有机玻璃的聚合物打印的微观“双网络”，产生了一种可以拉伸至其尺寸四倍而不会完全断裂的材料。相比之下，其他形式的聚合物几乎没有拉伸性，并且一旦裂开就会很容易破碎。
研究人员表示，新的双网络设计可以应用于其他材料，例如制作可拉伸的陶瓷、玻璃和金属。这种坚韧而又柔韧的材料可以制成防撕裂的纺织品、柔性半导体、电子芯片包装，以及用于组织修复细胞生长的耐用而灵活的支架。
“我们正在为超材料开辟这个新领域，”麻省理工学院的罗伯特·N·诺伊斯职业发展副教授卡洛斯·波特拉说。“你可以打印一种双网络金属或陶瓷，你可以获得很多这些好处，因为它们需要更多的能量才能被打破，并且它们的可拉伸性显著增强。”
波特拉和他的同事将在期刊《自然材料》中报告他们的发现。他的麻省理工学院的合著者包括第一作者詹姆斯·乌塔玛·苏尔贾迪，以及巴斯蒂安·艾蒙和莫莉·卡顿。
**灵感来自水凝胶**
波特拉与其他研究小组通常通过使用与有机玻璃和陶瓷相似的常规聚合物打印或纳米制造微观晶格来设计超材料。他们打印的特定图案或结构可以赋予所得到的超材料卓越的强度和抗冲击性。
几年前，波特拉好奇是否可以用一种固有的刚性材料来制造超材料，但以某种方式给它们图案化，使它变得更加柔软且富有弹性。
“我们意识到超材料领域并没有真正尝试在软物质领域产生影响，”他说。“到目前为止，我们一直在寻找可能的最硬和最强的材料。”
相反，他试图寻找合成更柔软、更富有弹性的超材料的方法。与传统的基于晶格的超材料打印微观支撑和桁架不同，他和他的团队制作了一种相互交织的弹簧或线圈的结构。他们发现，虽然所使用的材料本身像有机玻璃一样刚性，但所得到的编织超材料则是柔软且有弹性的，类似于橡胶。
“它们是可拉伸的，但过于柔软和顺从，”波特拉回忆道。
在寻找增强其柔软超材料的方式时，团队在一种完全不同的材料中找到了灵感：水凝胶。水凝胶是柔软的，可拉伸的，类似果冻的材料，主要由水和一些聚合物结构组成。包括麻省理工学院在内的研究人员已经设计出能够制造既柔软又有弹性，而且又坚韧的水凝胶的方法。他们通过将具有非常不同特性的聚合物网络结合起来实现这一目标，例如将一种自然刚性的分子网络与另一种固有柔软的分子网络进行化学交联。波特拉和他的同事们想知道这种双网络设计是否可以适应超材料。
“那是我们的‘啊哈’时刻，”波特拉说。“我们想：我们能否从这些水凝胶中获得灵感，创造出具有类似刚性和弹性特性的超材料？”
**支架和编织**
在他们的新研究中，团队通过结合两种微观结构制造了一种超材料。第一种是刚性的网格状支撑和桁架。第二种是围绕每个支撑和桁架编织的线圈图案。这两种网络均由相同的亚克力塑料制成，并通过一种称为双光子光刻的高精度激光打印技术一次性打印。
研究人员打印了新的双网络启发的超材料样本，每个样本的大小从几个平方微米到几个平方毫米不等。他们对材料进行了系列应力测试，测量将样本的两端固定在专业纳米机械压力机上的力，以拉开材料。他们还录制了高分辨率视频，以观察材料在拉开时伸展和撕裂的位置和方式。
他们发现新的双网络设计能够拉伸至自身长度的三倍，这也是与用相同亚克力塑料打印的常规晶格图案超材料相比，拉伸的距离是其十倍。波特拉表示，新材料的弹性抵抗来自于材料刚性支撑与材料在施加应力和拉伸时更加混乱的线圈编织之间的相互作用。
“想象这个编织网络就像是一团纠缠在一起的意大利面绕着晶格。当我们打破单一的晶格网络时，那些破裂的部分就会一同被牵引进来，而现在所有这些意大利面会与晶格的部分纠缠在一起，”波特拉解释道。“这促进了编织纤维之间更多的纠结，这意味着你有更多的摩擦和更多的能量耗散。”
换句话说，穿插在材料刚性晶格中的柔软结构由于裂开支撑而促成的多重结或纠缠承受了更多的应力。当这种应力不均匀地传递通过材料时，初始裂缝不太可能直接穿过并迅速撕裂材料。此外，团队发现如果在超材料中引入战略性孔或“缺陷”，还可以进一步耗散材料所承受的任何应力，使其更具拉伸性和抵抗撕裂。
“你可能认为这会使材料变得更差，”研究共同作者苏尔贾迪说道。“但我们看到，一旦开始添加缺陷，我们的拉伸量就翻倍，耗散的能量也增加了三倍。这赋予我们一种既刚性又坚韧的材料，这通常是一个矛盾。”
团队开发了一种计算框架，可以帮助工程师估计超材料在其刚性和富有弹性的网络模式下的性能。他们设想这样的蓝图将对设计防撕裂的纺织品和面料有帮助。
“我们还想尝试这种方法于更脆的材料，以赋予其多功能性，”波特拉说。“到目前为止，我们谈论的是机械性能，但如果我们还能够使它们具有导电性，或对温度做出反应呢？为此，两个网络可以由不同的聚合物制成，以不同的方式对温度做出反应，这样面料在温暖时可以张开孔或变得更加顺从，而在寒冷时可以更加刚性。这是我们现在可以探索的方向。”
这项研究部分得到美国国家科学基金会和麻省理工学院机械工程系MathWorks种子基金的支持。
