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          哈工大學者創造超級材料登PNAS:可吸收和釋放驚人能量

          2022-03-04 12:02:10 材料科學 哈工大 磁鐵

          科學網3月2日報道  《海賊王》路飛的橡膠手臂能在拉伸后獲得巨大能量,在回彈瞬間錘飛對手。

          現在,漫畫竟然變成了現實!科研人員已經創造出一種超材料,當你把它拉伸到一定程度時,會激活儲存在材料里的能量,一松手,爆發力驚人。而且,他們還可以對這種材料進行編程,從而可以按需設計和控制超材料。

          這種超材料的創造者,是哈爾濱工業大學(深圳)副教授梁旭東及其合作團隊。近日,這篇論文成果發表在美國《國家科學院院刊》(PNAS)上。

           

           

          評審專家對這篇論文給出了很高的評價,稱“這項工作是高質量的,并對力學超材料領域發展作出了創新的貢獻”。

          超材料配方:磁鐵+橡膠

          我們小時候都玩過橡皮筋,當你用力拉伸它并突然松開時,它會瞬間彈出去。想象一下,現在有種超級橡皮筋,當你把它拉伸到某個節點再松手,它會飛得超級遠。

          這個假想的超級橡皮筋是該團隊正在創造的一種“磁—彈性力學超材料”。這個超材料有兩個主角:磁鐵和橡膠。

          原本不相干的兩種材料,結合到一起會產生怎樣的“魔力”呢?

          “我們用激光切割機把橡膠‘挖’出特定的孔洞結構,在孔洞里嵌入磁鐵。當拉伸該材料時,利用一種稱為‘相變’的物理特性,能吸收與釋放巨大的能量。”這篇文章的第一作者兼通訊作者梁旭東向《中國科學報》介紹。

           
          張開的孔洞結構相(上圖),閉合的孔洞結構相(下圖)。
          張開的孔洞結構相(上圖),閉合的孔洞結構相(下圖)。

           

          “相變”這個概念大部分人比較陌生,其實在生活中隨處可見。

          當材料從一種狀態轉變到另外一種狀態時,就會發生“相變”。比如固、液、氣三種狀態的變化就是非常典型的“相變”。當冰融化成水,或水變成水蒸氣,就得吸收很多能量;而讓水凝固成冰,則要釋放很多能量。冰和水,水和水蒸氣,都是一種物質的兩種“相”。

          不過,上述這些“相變”一般發生在原子與分子尺度,想要捕捉和操控它們都比較困難。

          這項研究則要擺到宏觀層面進行,所選的材料也并無過人之處。實驗用的磁鐵直徑為3毫米,和橡膠一起,購買于普通商店。就是這么常見的材料,竟然創造出非凡的超能力。

          “相變”正是超能力的核心,來自于兩種能量的疊加效應。

          梁旭東解釋道,磁鐵能相互吸引、排斥,嵌入到橡膠后,相互吸引的磁鐵會讓孔洞閉合,相互排斥的磁鐵則讓孔洞打開,這是磁場的能量。用力拉伸橡膠時,橡膠本身會發生機械變形,儲存一些彈性能。把這兩種能量疊加,就會轉變成超材料的動能,釋放出更強的爆發力。

          從大自然中獲得靈感

          大自然是人類最好的老師:受小鳥的啟發,人類發明了飛機;看到魚的潛游,發明了潛水艇;受蝙蝠的啟發,發明了雷達……這項研究也不例外。

          “我們從一些能做出閃電般快速反應的生物中獲得了靈感,比如捕蠅草能快速閉合,使飛蟲根本來不及逃脫。”文章共同通訊作者、美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校高分子系教授Alfred J. Crosby說。

          梁旭東用螳螂蝦舉例,“螳螂蝦是一種非常神奇的生物,它的前爪能在水底環境大阻力下,僅用0.01秒瞬間就能加速到每秒30米的速度,像錘子一樣敲碎貝殼或擊退捕食者。”

          這種短時間非常高速的爆發運動,是研究團隊基于軟物質在高速變形條件下的力學研究,想要達到的實驗效果。

          剖析實驗原理是為了更好地掌控它,為將來的應用階段打下基礎。經過反復實驗,他們發現改變三個方面就能控制“相變”——磁場、孔洞的排布和大小、橡膠材料的選擇。

           
          論文配圖
          論文配圖

           

          為此,他們還專門開發了一種數學模型,可以對材料進行編程,從而按需設計和控制“相變”。“你可以制造想要的任何類型的‘相變’材料。”Crosby說。

          這大大拓寬了應用前景。

          比如與軟體機器人相結合。近年來,科技的飛速發展已經研制出一款軟體機器人,這東西可以進入人體遞送藥物,也可以鉆進血管清除血栓。

          “我們取得的成果可以用來制作軟體機器人的能量單元,通過儲存能量和輸出能量讓軟體機器人產生高速運動,就像螳螂蝦的前爪一樣秒發猛力,瞬間敲除血栓。”梁旭東說。

          除了能量釋放方面的應用,能量吸收也能在防護材料領域大有作為。

          汽車制造商非常重視汽車防撞結構的制作,當汽車發生猛烈碰撞時,也可以通過超材料的“相變”原理來減緩沖擊、吸收能量,將大部分沖擊能量化解掉,從而達到保護車內乘客的目的。

          這項本事還能用于新型安全頭盔制作,甚至可以應用到航母的阻攔索工具上。

          學科交叉的“狂歡”

           

          梁旭東在2010年畢業于中山大學的理論與應用力學專業,隨后保送到清華大學攻讀力學專業的碩士研究生,2013年取得碩士學位。

          隨后,他赴美國加州大學圣地亞哥分校求學,所學專業為機械工程。機械工程系教授蔡盛強是梁旭東的“貴人”,“正是他把我領入科研之門,他傳授了很多研究方法和思路,讓我對科研產生了濃厚的興趣。”梁旭東說。

          這時的梁旭東,研究工作更多集中在固體力學,并未涉足在高速變形下的力學超材料研究。直到在美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校做博士后,他的研究視界一下子打開了。

          導師Crosby是高分子材料科學家,也是一位不受條條框框約束的“引路人”。“他從不會給學生下達具體任務要求,而是教會我們從不同領域看問題的方法,為我們提供更廣闊的探索空間。”梁旭東很感謝這位導師的指導。

          這篇最新論文還有一位合作者,名叫付鴻博,是Crosby教授的博士生,他和梁旭東一起完成了實驗的操作和材料的制備。

          評審專家在對比了前人利用磁鐵調控力學性能的工作后表示,“之前的研究并沒有呈現類似這篇文章的系統理論分析的深度”。

          談及這項研究成功的“秘笈”,梁旭東歸功于學科交叉。從求學經歷來看,這一路走來,梁旭東的所學專業一直在發生變化。他也逐漸意識到,只有打破學科間的桎梏,形成知識的匯聚,才能拓寬眼界與視野。

          “學科交叉是科研工作中非常幸運的一件事。”梁旭東說,“不同學科、不同領域、不同思想碰撞出的火花,才是最絢爛的。學科交叉的‘狂歡’也是我做科研的啟發和驅動力。”

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