利用材料的“记忆”来编码其独特的物理特性

时间:2019-12-27 18:35 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

利用材料的“记忆”来编码其独特的物理特性

发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的一项新研究发现,某些类型的材料对它们的加工、存储和操作方式有“记忆”。然后,研究人员就可以利用这种记忆来控制材料的老化,并对特定的属性进行编码,使其能够执行新的功能。这种设计材料的创造性方法是由来自芝加哥大学的安德烈·刘、西德尼·r·内格尔、尼迪·帕什纳和丹尼尔·海克斯纳合作的结果。

刘和纳格尔在无序系统的物理学方面合作了很多年。相对于具有系统和重复模式的有序系统,无序系统是随机排列的。举个例子,一堵天然的墙是由密集的泥土组成的,在那里,单个的颗粒并没有整齐地堆积,而是聚集在一起形成了一个刚性的结构。研究人员对这些系统很感兴趣,因为它们的随机性使它们很容易转化为具有独特力学性能的新型机械超材料。

材料科学家想要控制的一个重要特性是当施加外力时材料的反应。当大多数材料向一个方向拉伸时,它们垂直地收缩,当被压缩时,它们垂直地膨胀,就像橡皮筋一样——拉伸时变薄,压缩时变厚。

与之相反的材料,即压缩时垂直收缩、拉伸时变厚的材料,被称为助剂。这些材料很少见,但人们怀疑它们吸收能量的能力更强,抗断裂能力更强。研究人员感兴趣的是创造辅助材料,以帮助改善材料的功能,其中包括可以吸收冲击。

在这项研究中,研究人员想看看他们是否可以利用无序材料之前遇到的压力的“记忆”来把材料转换成新的东西。首先,他们用电脑模拟了正常物质在压力下的状态,并选择性地改变了原子键,以观察哪些变化会导致物质的生长性。他们发现,通过切断外部压力最大区域的化学键,他们可以数字化地制造一种辅助材料。

利用这一发现,研究小组用一种类似聚苯乙烯泡沫塑料的材料,通过让材料在特定的压力下老化来增加“记忆”。为了使材料生长,他们对材料施加恒定的压力,让它自然老化。“在压力之下,它自己调整了。它把自己从一种普通材料变成了一种机械超材料,”刘说。

这个难以置信的简单而有效的过程向材料科学的“圣杯”又迈进了一步,即能够创造出具有特定原子水平结构的材料,而不需要高分辨率的设备或原子水平的修改。本文所描述的方法只需要一点耐心,系统就可以获得“记忆”,然后自然老化。

刘说,这是一种“完全不同的”思考新材料的方式。“你从一个无序的系统开始,如果你施加适当的压力,你可以得到你想要的性质,”她说。

这项工作与生物学中的结构也有很强的联系。器官、酶和纤维网络是无序系统的自然例子,由于它们的复杂性很难综合模拟。现在,研究人员可以用这种更简单的方法作为起点,创造复杂的人造结构,这些结构的灵感来自于生物学中广泛的属性。

内格尔对未来持乐观态度。“除了制造辅助材料,”他说,“我们还使用计算机设计,通过施加局部应力,对材料的远处部分进行精确的机械控制。”这也是受到生物活动的启发。我们现在需要看看,是否也可以通过在实验室中老化一种真正的材料来实现这一点。”

内格尔说:“在这个阶段,可能性似乎是无限的。”“只有通过进一步的理论工作和实验,我们才能开始理解这种材料设计新概念的局限性。”

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