在材料科学和增材制造（3D打印）领域，一项由美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）牵头的研究正引领结构材料迈向更高层次的智能化。研究人员开发出一种新型三维结构材料——多链锁结构材料（Polycatenated Architected Materials, PAMs），不仅兼具固体与液体特性，还能对外界刺激做出快速响应，展现出广泛的应用潜力。这项研究由LLNL联合加州理工学院与普林斯顿大学完成，成果已于2025年1月16日登上《Science》杂志封面《3D polycatenated architected materials》。
材料结构创新：从刚性晶格到动态网络
传统三维结构材料常以刚性晶格为基础，虽可通过设计实现轻质高强，但在受冲击或疲劳时存在裂纹易扩展、难以自修复等问题。而PAMs打破了这一局限，其结构由多个环形或笼形单元构成，彼此相互嵌套却非刚性连接。这种链锁式的构造赋予材料高度柔韧性，能够在压力、电荷或引力作用下实现伸缩、弯曲甚至整体形态重塑。
“相比于传统刚性结构，PAMs 的构件虽不可分离，却拥有更高的自由度，因此可在不同条件下表现出类似固体或液体的行为。” LLNL研究员Xiaoxing Xia介绍道。
多重响应性：适用于从太空构件到生物植入物
实验表明，PAMs在重力作用下可发生自适应形变，表现出“重力松弛”特性。这种能力尤其适用于低重力或零重力环境，如太空中可用于展开柔性太阳能板、望远镜或构建电荷驱动的自展开结构。另一方面，在液体环境中，尤其是微尺度下，PAMs具有极强的流动性和稳定性，为微型机器人与可植入医疗器械提供了理想载体。
此外，研究人员还发现材料在不同晶体方向上的机械响应存在明显差异，揭示其内部结构在应力分布中的核心作用。更重要的是，PAMs表现出良好的尺度可扩展性，无论在宏观还是微观层面制造，其基本力学行为均保持一致。
高效能量吸收与振动控制
在防护和航天应用中，PAMs展现出优异的能量吸收能力。由于结构间非刚性连接，冲击波和裂纹传播受限，使其在冲击防护、振动衰减中远优于传统晶格结构。尤其在火箭发射等高频振动场景下，其“剪切变稀”特性（低频为固态、高频变液态）可显著缓解机械系统的应力传导。
“PAMs天然具备阻断裂纹传播的能力，可显著提高结构整体的韧性与可靠性，” LLNL工程师Anna Guell Izard指出。
静电驱动下的智能响应系统
研究团队还利用微尺度实验观察到PAMs对电荷的快速响应特性。在扫描电子显微镜下，带电环状单元因静电斥力发生自发展开，材料整体形态随之剧烈变化。通过外部静电场，研究人员成功实现了结构的快速、可逆形变，为开发下一代电信号驱动的智能材料系统铺平道路。
这类材料未来可被用于可变形机器人、智能可穿戴设备，甚至用于精准药物释放系统，其形态可随电信号在体内自适应变换，释放药物至目标组织。
持续挑战与未来方向
尽管PAMs的性能令人瞩目，其大规模制造仍面临不小挑战。尤其在微尺度打印方面，现有技术难以实现完全无支撑结构的高精度制造。为克服这一瓶颈，研究团队正开发新型3D打印技术，包括并行打印与光子打印等方式，以提升制造效率与精度。
LLNL博士后Songyun Gu利用并行打印技术，已成功构建更大规模的互锁结构，并在近期测试中展现出远超传统晶格的韧性与稳定性。团队也在持续研究PAMs在高温、高湿、化学腐蚀等多种环境下的长期行为，为其实际应用提供坚实基础。
