Nature：巧夺天工！力学性能可调的结构织物

结构织物，如编织片材或链甲，其属性都来自于其本构材料和几何形状。通过合理的设计，可以达到理想的特性，如高抗冲击性，热调节，或电导率等。然而，一旦实现，织物的性能通常是固定的。

在此，来自美国加州理工学院的Chiara Daraio等研究者，展示了具有可调谐弯曲模量的结构织物，它由三维粒子排列成分层的链甲组成。相关论文以题为“Structured fabrics with tunable mechanical properties”于2021年08月11日发表在Nature上。

在此，研究者受古代链甲和拓扑连锁元素的启发，设计了一种由两层连锁颗粒组成的结构织物。在该材料中，每个粒子都是一个中空的三维结构，由连接桁架构成，旨在降低整体密度，增强元素之间的接触(图1a)。之所以选择八面体粒子，是因为它们的90°旋转对称性，能够在连锁结构中形成一个正方形的2D晶格，而且它们的尖角增加了层与层之间的接触。链甲是通过将相邻的粒子相互旋转90°，并在拓扑上将所有粒子连锁而不形成固体连接而形成的。该连锁晶格是使用选择性激光烧结方法制造的，该方法在没有额外支持的情况下打印出一块晶格(图1b)。

通过堆叠两个链甲，可以增加连接的数量。像链甲一样，制成的结构薄片可以自由弯曲、折叠和覆盖弯曲的物体(图1c, d)。研究者避免了3D打印的链甲，通过厚度(即，两层堆叠，但没有物理连接)的粒子相互锁扣，以允许层之间滑动，这导致了更高的灵活性。

链甲形状复杂，但当对其边界施加压力时，粒子相互锁住，链甲堵塞。研究发现，当外部压力较小(约93千帕斯卡)时，薄片的硬度会比松弛状态下高出25倍以上。弯曲阻力的急剧增加，是因为联锁颗粒具有很高的抗拉性能，不像松散颗粒介质。研究者使用离散元模拟将链甲的微观结构与宏观特性联系起来，并解释了实验测量结果。研究发现，由不同的非凸颗粒组成的链甲，经历了一个与传统凸介质行为相似的幂律特征函数描述的干扰相变。

Nature：巧夺天工！力学性能可调的结构织物

图1. 链甲结构的设计和原型

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图2. 可变围压弯曲和拉伸试验

图3. 不同围压下模拟得到的微观结构信息

图4. 形状可重构，可调抗冲击性和应用。

综上所述，该研究工作系统地探索了由几何形状精确控制的非凸互锁粒子组成的结构织物在干扰过渡过程中的力学特性。由于干扰过渡是一种尺度不变的物理现象，由离散粒子组成的可重构织物可以在不同尺度上实现(图4e)。

因此，该工作提供了轻质、可调谐和自适应织物的路线，在可穿戴外骨骼、触觉架构和可重构医疗支持方面，具有潜在的应用前景。

文献信息

Wang, Y., Li, L., Hofmann, D. et al. Structured fabrics with tunable mechanical properties. Nature 596, 238–243 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03698-7

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03698-7

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