（來源：MIT News）
在超材料設計領域，遊戲規則一直是“越強越好”。
超材料是一類具有微觀結構的合成材料，其賦予整體材料卓越的效能。過去，研發重點大多放在設計比傳統超材料更堅固、更堅硬的產品上。然而，這裡存在一個矛盾點：材料越硬，柔韌性往往就越差。
如今，麻省理工學院的工程師們成功找到了一種方法，能讓超材料既堅固又有彈性。通常情況下，基礎材料高度剛性且易碎，但透過以精確、複雜的圖案進行印刷，就能形成兼具堅固性與柔韌性的結構。
這種新材料的雙重特性關鍵在於其結合了堅硬的微觀支撐結構和柔軟的編織架構。這種微觀的“雙重網路”是透過一種類似有機玻璃的聚合物列印而成，能夠製造出一種材料，使其在不完全斷裂的情況下可以拉伸至其原始尺寸的四倍以上。相比之下，其他形式的聚合物幾乎沒有伸展性，一旦出現裂痕就會很容易碎裂。
（來源：MIT News）
研究人員表示，這種新的雙網路設計可應用於其他材料，比如製造彈性陶瓷、玻璃和金屬。這種堅韌且可彎曲的材料，能用於製作抗撕裂紡織品、柔性半導體、電子晶片封裝，還能製成耐用且適配性好的支架，用於培養細胞以進行組織修復。
“我們正在為超材料開拓新的領域，”麻省理工學院副教授 Carlos Portela 說道，“你可以列印雙網金屬或陶瓷，這樣能獲得諸多優勢，因為破壞它們需要消耗更多能量，而且它們的拉伸效能也要好得多。”
Portela 及其同事於近日在 Nature Materials 雜誌上發表了這一研究成果。其他作者包括 James Utama Surjadi，以及 Bastien Aymon 和 Molly Carton。
靈感源自水凝膠
與其他研究小組一樣，Portela 和他的同事通常會使用類似有機玻璃和陶瓷的傳統聚合物，採用列印或奈米加工微觀晶格的方式來設計超材料。他們列印的特定圖案或結構，能賦予最終的超材料非凡的強度和抗衝擊性。
幾年前，Portela 突發奇想，超材料能否由本身剛性的材料製成，但透過某種圖案設計，使其變得更柔軟、更具彈性呢？
“我們意識到，超材料領域此前並未真正嘗試在軟物質領域發揮影響，”他說，“到目前為止，大家都在尋找儘可能堅硬、最堅固的材料。”
於是，他開始探尋合成更柔軟、更有彈性超材料的方法。他和團隊沒有像傳統基於晶格的超材料那樣列印微觀支柱，而是製作了一種相互交織的彈簧或線圈組成的結構。他們發現，雖然使用的材料本身和有機玻璃一樣堅硬，但最終編織出的超材料卻像橡膠一樣柔軟且富有彈性。
“它們彈性十足，但過於柔軟、順應性太強了。”Portela 回憶道。
在尋找增強其較軟超材料體積的方法時，團隊從一種截然不同的材料——水凝膠中獲得了靈感。水凝膠是一種柔軟、有彈性、類似果凍的材料，主要由水和少量聚合物結構組成。包括麻省理工學院團隊在內的研究人員，已經找到了製造既柔軟有彈性又堅韌的水凝膠的方法。他們透過組合具有顯著差異特性的聚合物網路來實現這一點，比如讓天然堅硬的分子網路與本質柔軟的分子網路發生化學交聯。Portela 和他的同事由此想到，這種雙網路設計能否應用於超材料呢？
“那一刻，我們靈感迸發，”Portela 說，“我們心想：能不能從這些水凝膠中獲取靈感，創造出兼具剛度和彈性特性的超材料呢？”
雙網路設計打造“剛柔並濟”超材料
在新研究中，團隊透過結合兩種微觀結構製造出一種超材料。第一種是由支柱和桁架組成的剛性網格狀框架，第二種是圍繞每個支柱和桁架編織的線圈結構。這兩種網路均由相同的丙烯酸塑膠製成，並採用一種名為雙光子光刻的高精度雷射列印技術一次性列印完成。
研究人員打印出這種新型雙網路超材料樣品，每個樣品的尺寸從幾平方微米到幾平方毫米不等。他們對材料進行了一系列壓力測試，在測試過程中，將樣品的兩端分別連線到專門的奈米機械壓力機上，測量將材料拉開所需的力。同時，他們還錄製了高解析度影片，用於觀察材料在拉伸和撕裂時的具體位置及方式。
他們發現，這種新型雙網路設計能夠拉伸至自身長度的三倍，相比使用相同丙烯酸塑膠列印的傳統格子圖案超材料，拉伸長度恰好是其 10 倍。Portela 表示，新材料的拉伸抗性源於材料剛性支柱，與材料受應力拉扯時較為雜亂的盤繞編織結構之間的相互作用。
“可以把這個編織網路想象成纏在格子上的一團義大利麵條。當整體晶格網路破裂時，破損部分會牽動周圍，此時這些‘義大利麵條’就會與晶格碎片糾纏在一起，”Portela 解釋道，“這會促使編織纖維之間產生更多纏結，意味著有更多摩擦和能量耗散。”
換句話說，由於開裂的支柱會引發多處纏結，纏繞在材料剛性晶格上的較軟結構就能承受更大應力。因為這種應力在材料中分佈並不均勻，所以最初出現的裂紋不太可能直接貫穿材料並使其迅速撕裂。更重要的是，團隊發現，如果在超材料中設定一些特定的漏洞或“缺陷”，還能進一步分散材料所承受的應力，使其更具彈性，更耐撕裂。
“你可能覺得這樣會讓材料效能變差，”該研究的合著者 Surjadi 說，“但我們發現，一旦開始新增這些缺陷，材料的拉伸量增加了一倍，耗散的能量更是增加了三倍。這讓我們得到了一種既堅硬又堅韌的材料，而這兩種特性通常是相互矛盾的。”
團隊還開發了一個計算框架，能幫助工程師根據剛性和彈性網路模式，預估超材料的效能。他們認為，這樣的設計藍圖將有助於設計防撕裂紡織品和織物。
“我們還想在更脆的材料上嘗試這種方法，賦予它們更多功能，”Portela 說，“目前我們討論的主要是機械效能，但如果能讓材料導電或對溫度產生響應呢？為此，可以用不同的聚合物製作這兩個網路，使其對溫度有不同的響應。這樣一來，織物就能在溫度變化時，實現孔隙開合，或者在溫暖時更柔順，寒冷時更堅硬。這是我們接下來可以探索的方向。”
原文連結：
https://news.mit.edu/2025/mit-engineers-print-synthetic-metamaterials-strong-and-stretchy-0423
