使用材料的“内存”来编码独特的物理属性

 
研究人员表明，可以利用材料的自然老化过程来制造具有不同寻常性能的材料。图片来源：Nidhi Pashine发表在《科学进展》上的一项新研究发现，某些类型的材料对它们的处理，存储和操纵方式具有“记忆”。然后，研究人员能够使用该内存控制材料的老化方式，并编码使其能够执行新功能的特定属性。这种创造性的材料设计方法是宾夕法尼亚大学的Andrea Liu和Sidney R. Nagel，Nidhi Pashine和芝加哥大学的Daniel Hexner合作的结果。
Liu和Nagel在无序系统的物理学方面已经合作了很多年。与具有系统和重复模式的有序系统相反，无序系统是随机排列的。一个说明性的例子是由紧密堆积的污垢制成的天然墙，其中的各个颗粒不是整齐地堆放，而是聚集成在一起以形成刚性结构。研究人员对这些系统很感兴趣，因为它们的随机性使它们可以轻松地转换为具有独特机械性能的新型机械超材料。
材料科学家希望控制的一个重要属性是当施加外力时材料如何响应。当大多数材料在一个方向上拉伸时，它们会垂直收缩，而在压缩时它们会像橡皮筋一样在垂直方向上膨胀-拉伸时，材料变薄，而压缩时则变厚。
相反的材料，即被压缩时会垂直收缩并在拉伸时会变厚的材料，被称为膨胀材料。这些材料很少见，但被怀疑在吸收能量方面更好，并且更耐断裂。研究人员对制造膨胀材料感兴趣，以帮助改善其吸收冲击的材料的功能。
在这项研究中，研究人员希望了解他们是否可以使用无序材料的“记忆”来存储将其转变为新事物之前所经历的压力。首先，他们在压力下对正常材料进行了计算机模拟，并选择性地改变了原子键，以查看哪些变化可以使材料膨胀。他们发现，通过沿承受最大外部应力的区域切断粘结，可以数字化地形成膨胀材料。
然后，该团队利用这种洞察力提取了一种类似于泡沫聚苯乙烯的材料，并通过使材料在规定的压力下老化来添加“记忆”。为了使材料具有膨胀性，他们对材料施加恒定的压力并使其自然老化。刘说：“在整个物体承受压力的情况下，它进行了自我调整。它从普通材料变成了机械超材料。”
这个极其简单有效的过程是朝着材料科学的“圣杯”迈进的一步，该过程无需使用高分辨率设备或进行原子级修改即可创建具有特定原子级结构的材料。相反，本文描述的方法只需要一点耐心，即可使系统获得“内存”，然后自然老化。
刘说，这是考虑制造新材料的“完全不同”的方式。她说：“您从混乱的系统开始，如果施加正确的压力，就可以使其具有所需的性能。”
这项工作还与生物学中的结构密切相关。器官，酶和细丝网络是无序系统的自然示例，这些系统由于其复杂性而难以综合模拟。现在，研究人员可以使用这种更简单的方法作为起点来创建复杂的人造结构，这些结构可以从生物学中看到的广泛特性中汲取灵感。
内格尔对未来感到乐观。他说：“除了制造膨胀材料，我们还使用计算机通过施加局部应力来对材料的远处部分进行精确的机械控制。这也受到生物活动的启发。我们现在需要看看是否这也可以通过在实验室中老化真实材料来使其起作用。”
内格尔说：“现阶段的可能性似乎是无限的。” “只有通过进一步的理论工作和实验，我们才能开始了解这种材料设计新概念的局限性。”