輕質和堅韌的工程材料，通常設計為三維層次結構和相互連接的結構構件，其連接對其性能有害，因為它們充當損傷累積和機械彈性較低的應力集中。
在此，來自美國加州理工學院的Widianto P.Moestopo等研究者，介紹了以前未曾探索過的一類結構化材料，其組件是交織在一起的，不包含任何結點，並將微結點作為這些層次網絡中的構建塊。相關論文以題為「Knots are not for naught: Design, properties, and topology of hierarchical intertwined microarchitected materials」發表在Science Advances上。
論文連結：
https//www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade6725
許多自然形成的複合材料能夠通過使用複雜的分層排序獲得獨特的機械性能，例如高強度和斷裂韌性，這些性能超過了單個組分的表現。建築層次結構已被證明可以在骨骼中激活多尺度增韌機制並增強六放海綿的結構穩定性。實現天然材料的完全分層排序仍然是一個挑戰；現代製造方法的進步使得能夠製造具有複雜預定幾何形狀和多重層次的合成材料。組分材料的精確建築排列已經導致了獨特的材料特性，包括聲子帶隙、可調熱響應和抗衝擊性。將分層結構納入到合成建築材料中，例如通過用小得多的梁形成結構元素，還實現了其他理想的機械性能，即高能量吸收和確定性失效行為。隨著製造技術的進步不斷擴大可用的設計空間，分層結構的建築材料主要借鑑了互連的設計原則，其中結構成員在其交匯處融合在一起，例如梁型晶格，其成員由周期性單元組成。對周期性建築材料和非周期性建築材料進行了廣泛的實驗、計算和分析研究，其中大多數都具有互連的設計。這些研究表明，獨特的機械特性源於結構成員之間的拉伸、彎曲和屈曲的組合，以及構成材料內的能量耗散。這些類型的互連建築材料在全局機械加載時不可避免地會在交匯處產生應力集中，從而以大於理論速率惡化其強度和剛度，並積累損傷。
最近，人們已經探索了相互滲透的晶格設計，作為互連設計的替代方案，顯示出大多由兩個相互連接的晶格組成的多功能性的潛力。利用結構成員之間的摩擦，也被證明是一種吸收能量而不積累重大損傷的方法，但大多數設計缺乏層次結構以進一步增強其性能。引入了一種不含節點的微晶格中，將多個交織的纖維排列成有效梁的不同分層設計框架。這些交織的晶格通過提供每個周期比首個周期高兩到三倍的吸收能量，拉伸時提供超過70%的更大變形性，>50%的壓縮應變而無災難性故障，以及其單體晶格無法實現的方向順應性，優於經典的整體、互連的晶格。每個有效梁內的纖維之間的間隔打開了實現超越梁-接頭和板-鉸接機制的新動力學可能性。例如，可以從結的各個長度尺度中學到幾個教訓：從航海、攀登和縫合到DNA、蛋白質和聚合物鏈的糾纏。結的拓撲結構一直是數學上的一個主題，因為它獨特地結合了幾何和非交換代數。研究人員已經發現，即使是兩個類似配置的結，在稍微不同的扭轉下，也會導致直徑相反的穩定性。物理緊結的力學研究揭示了在結的失效預測中考慮組成材料性質的重要性，而對鬆散結的分析則展示了通過仔細選擇結幾何形狀和組成材料，增加能量耗散並引入穩定的緊縮和鬆開機制的潛力。
在這項工作中，研究者結合了兩個以前獨立的概念，分層架構材料和纖維打結，開發了架構材料的構件，這些構件在每一種加載模式下都同時具有高變形能力、能量耗散、抗斷裂和形狀可重構性。研究者將分層交織材料的纖維拓撲結構分為兩種基本拓撲結構：打結和編織（圖1）。為了闡明纖維拓撲結構對分層交織結構機械性能的影響，研究者設計、製造、機械探測並分析了准靜態張力下的分層編織和打結的菱形框架，對角線相等。對具有交織梁的二維（2D）框架的探測集中在晶格中的三維單元內的相同子結構，在這種情況下，八面體內的菱形，同時保持相同的層次結構，每個梁是由三個交織的獨立纖維組成。研究者的實驗和理論表明，打結的纖維拓撲結構能夠在結構化的材料空間中實現一種新的變形和重構制度，即打結緊縮。研究者通過以下方法研究了纖維間摩擦對打結過程的影響：（i）對纖維進行不同的表面處理--用氧化鋁（Al2O3）薄層（約5納米厚）進行鈍化，用紫外線（UV）光（254納米波長）進行系統照射，以及老化-（ii）對所有這些具有不同表面處理的樣品進行准靜態原位拉伸實驗。研究者比較了紫外線照射與老化菱形的機械反應，以及具有不同線性尺寸的菱形，以研究交織的聚合物結構中的老化機制和尺寸效應。
圖1 分層交織材料中的結繩和編織纖維拓撲結構。
圖2 分層結繩和編織菱形框架的微尺度拉伸實驗。
圖3 結點晶格的拉伸反應以及鈍化和紫外光照射對交織結構的機械行為的影響。
圖4 不同的線性尺寸和老化的影響。
圖5 能量吸收能力以及實驗和分析性結模型之間的比較。
綜上所述，研究者在交織的微架構材料中引入了結，並證明了結的結構元素能夠通過結的收緊來誘導平穩和穩定的結構重構機制，從而增強這些材料的延展性和能量吸收。通過鈍化和紫外線照射改變構成交織結構的交聯丙烯酸基聚合物的體質和表面特性，研究者發現在結構變形的早期階段，構成材料的最大拉伸應變對交織結構的延展性至關重要，而在後續階段則變得不那麼重要。實驗結果和過手結的分析模型之間的密切匹配表明，該模型可用於幫助優化結式結構的機械性能，儘管有必要進一步探索，以準確模擬材料和幾何特性對分層交織材料的變形和能量吸收機制的影響。這項工作中所展示的獨特的緊固機制開啟了創建形狀可重構、高度可擴展和極度吸能的大體量三維微結構材料的途徑，這些材料的機械性能不僅可以通過其幾何形狀和大體性能來調控，還可以通過結構元素之間的表面驅動的相互作用來調節。除了能夠創造出靈活、堅韌和輕質的三維紡織品外，這種能力在諸如柔性電子、疝氣修復和部署在血液中的設備等應用中也是很有優勢的，在這些應用中會遇到反覆的大變形，而傳統的剛性和脆性組成材料仍然需要被納入。（文：水生）
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