Nature:“反牛頓”的高科技版“軟蝟甲”問世,一作為華人科學家

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  看過《射鵰英雄傳》的你或許知道,黃蓉身上有一件桃花島的“鎮島之寶”,穿在身上不僅刀槍不入,更能以刺傷人,歐陽克輕觸便覺得雙手刺痛,而郭靖緊抱時卻安然無恙,這就是出現在很多武俠小說中的“神衣”軟蝟甲。

  軟蝟甲的原型是三國時期的一種用油浸漬的藤甲,後因加入金屬絲而變得更加堅固,從而在戰爭中達到防禦的效果。

  與軟蝟甲特點相似、但出現更早的鎧甲是鍊甲,它是由一個個鐵環環環相扣而成,具有密度高、耐砍、耐劈、柔韌等特點,當時廣泛地存在於古代各文明國度的軍隊中。

  如今,“軟蝟甲”在現代人手中得到了更加廣闊的發展。

  來自加州理工大學、南洋理工大學的科學家們就設計了一種現代“軟蝟甲”,即一種由 3D 列印的聚合物元素(而非織物)聯鎖而成的面料(類似鍊甲)。這種面料能在柔軟和堅硬的形狀間逐漸切換:由於互鎖顆粒而具有高抗拉強度,僅在小的外部壓力下(93 kPa,大約為 0.93 kg)就會變得比鬆弛狀態下強硬 25 倍;而處於天然狀態時,這種面料易彎折,能披掛在複雜物體表面。

  而且,基於這種面料得到的結構,最大載重量可達自身重量的 30 倍以上。

 

  8月12 日,相關研究論文以“Structured fabrics with tunable mechanical properties”為題線上發表在權威期刊 Nature 上。加州理工學院機械工程和應用物理學教授 Chiara Daraio 為論文的通訊作者,華人科學家 Yifan Wang、Liuchi Li 為論文的共同第一作者。

  在同時發表在 Nature 上的評論文章中,材料力學科學家 Laurent Orgéas 評價道,這種材料有望用於製造面向生物醫學、運動或軍事應用的外骨骼,或是搭建臨時性避難所等。

  “吃軟不吃硬”

  普通面料和織物的特性通常由材質的天然特性和編織結構共同決定,而智慧面料是指具有適應性的材質,比如可根據外在刺激發生改變的材質。

  此次研究中的鍊甲的神奇之處在於:當它穿在身上時,柔韌且可以緊貼面板;而當它受到外力的作用時,卻可以堅硬無比。

  這不得不讓我們聯想到“口香糖開椰子”的神操作。把嚼過的口香糖捏成圓錐狀立在桌子上,當椰子從高處砸下後,本以為會被壓扁的口香糖卻毫無變化,反而椰子殼被開了一個洞。

  事實上,這種違反常識的事情在生活中卻屢見不鮮。

  比如做飯時經常用到的澱粉,當你將澱粉溶液放在手上時,它會像所有流體一樣從指縫中流走,而使勁握住它時,又會變得非常堅硬。在澱粉溶液做成的泳池中,人們甚至可以表演“輕功水上漂”。

  這就是“吃軟不吃硬”的非牛頓流體,又稱為剪下增稠流體。顧名思義,非牛頓流體在受力較緩慢的情況下,產生的阻力較小;在受力較大時,就會產生較大的阻力。

  這就是非牛頓流體呈現的流體塑性和固體剛性行為,而此次研究中的鍊甲也具有同樣的性質。

  為什麼能這麼“硬”?

  由於具有特定效能材料需求的日益增長,調整和細化材料的化學和納米結構已經無法滿足需要,因此“結構化”材料應運而生。

  此次研究中的“鍊甲”是一種由兩層互鎖顆粒組成的結構化織物。據論文描述,這種織物材料在圍壓下會經歷一個相變(堵塞轉變),從而改變其機械效能,由柔軟的紡織品變成堅硬的外殼。

  事實上,這種“鍊甲”的高強度來源於其在負載下表現出的一種堵塞轉變,將它們從軟力學變為硬力學。

  研究人員重新審視了“鍊甲”的機制,重點研究了堵塞過渡。研究結果表明,使用圍壓作為驅動力,可以從根本上改變這種織物的拉伸和彎曲效能,而且這種變化是可逆的。

  當研究人員將這種材料放入一個柔軟的密封塑料袋中並抽出空氣時,產生的圍壓足夠大,足以觸發織物的堵塞轉變。

  為了理解導致彎曲剛度增加(鍊甲在受力下變硬)的基本機制,研究人員使用數值模擬研究了顆粒之間的微觀結構相互作用和位移。通過構建空心八面體粒子的“數字孿生體”來模擬織物,然後對其進行復制和重新排列。

  作為對比,研究中採用了由相同空心八面體組成的沒有拓撲互鎖結構的的元件進行相同的虛擬實驗。結果表明,互鎖織物在相同的圍壓下表現出更高的彎曲模量(大約高 3 倍)。

  這可歸因於拓撲互鎖結構引起的顆粒之間的拉伸阻力,這種阻力在鬆散的顆粒聚集體中是不存在的。

  為了探索顆粒幾何形狀和堵塞結構的機械效能之間的關係,研究人員設計了另外五種三維顆粒幾何形狀,並構造了相應的互鎖織物,並利用驗證過的最小二乘離散元模型研究這些織物在三點彎曲試驗下的力學響應。

  結果表明,在某一起始值 Z0(Z0 定義為粒狀結構結構剛性所需的臨界接觸數)之後,表觀彎曲模量隨著平均接觸數單調增加。

  作為比較,研究人員還模擬了由互鎖的環形和方形顆粒組成的經典鍊甲層的兩層堆疊,來自這些經典的鍊甲層的結果也遵循先前觀察到的冪律縮放。

  應用場景廣泛

  據論文描述,這種結構織物具有很好的形成可重構性,就像紙一樣可以彎曲摺疊,或者固定成需要的形狀,比如像橋一樣的拱形。

  在固定成某種形狀後,織物仍具有承重能力。研究人員將織物放置成平板形和拱形並且施壓,結果表明,由此產生的結構具有機械剛性,能夠承受超過自身重量 30 倍的載荷。

  這種成形能力對於可穿戴應用和可重構結構尤其重要,或將預示穿戴式可重構結構的光明前景。

  事實上,3D 列印作為一種成熟的加工方式,可使得這種“鍊甲”織物應用得更為廣泛,讓“軟蝟甲”真正地出現在現代社會中。

  除了有望用於製造“面向生物醫學、運動或軍事應用的外骨骼”,還可以搭建臨時性避難所,以及用於防彈衣等防護性應用等。

  未來,如果這種織物形成大面積普及,屆時人人都擁有一件“軟蝟甲”,我們就可以在日常生活中免受很多意外傷害,比如車禍等。

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