新型“超材料”:从无感斗篷到弹性陶瓷

发布时间:2015-03-06 09:14:51

北京时间3月6日消息,据国外媒体报道,“超材料”是一类具有特殊性质、自然界中并不存在的人造材料。物理学家和材料科学家正在对超材料的奇异特性进行研究,发掘它们在生活应用中的各种可能性。通过改变材料的结构,我们可以操纵材料的外观和其他性质,接下来,科学家希望改变材料的力学特性。目前,我们已经看到了许多关于这些材料的构思、设计和初步应用,包括弹性陶瓷、无感斗篷和可编程橡胶海绵等。

▲一块很小的蜂窝状材料将圆柱体隐匿起来,使其无法被手指感觉到。

▲贝尔托迪教授正在研究一种金属超材料,可以用于改进发动机零件。

▲这种类似橡胶板的材料,具有可编程的硬度性质。

▲这种陶瓷材料的设计利用了晶格点阵技术,有点像埃菲尔铁塔。

这些新材料的出现,将有助于建造宇宙飞船防护瓦,甚至开发出对地形敏感的鞋子。

“我认为超材料的概念已经渐渐深入许多不同领域,”德国卡尔斯鲁厄理工学院的马丁·魏格纳(Martin Wegener)教授说,“一开始是在电磁学领域引起热潮,后来进入了一些完全不同的领域,如热力学,以及再后来的机械力学中。”

魏格纳教授介绍称,“超材料”(metamaterial)一词已经被用于指代几乎所有古怪和神奇的设计,它们通常都具有非同寻常的性质,是原始材料所不具备的。

感觉不到的

魏格纳教授研究斗篷,但并不是为了使物体隐形。他的目的是将物理作用力隐藏起来。去年,他的实验室研制了一种蜂窝状的材料,可以使物体无法被人感觉到。这种特别的超材料是一种在某些性质上类似液体的固体晶格,能够使外部施加的压力发生偏转。

在演示中,这种超材料可以将一个很小的圆柱体(直径小于1毫米)隐匿起来,无法被手指感觉到。来自法国的物理学家和工程师提到了魏格纳等人的工作,他们指出,通过按某种模式进行谨慎、小心的钻孔,可以转移破坏性较大的地震波动。换句话说,这是将地面本身变成某种超材料,或许可以使发电厂免遭地震的威胁。

在美国物理学会的三月会议上,魏格纳教授展示了最新的工作成果,包括一种可以使平板中心的小洞无法被感觉到的超材料。他说:“这里的设计原则是,你可以将其应用在任何需要的东西上。”

设置鞋底

同样是在美国物理学会的三月会议上,荷兰莱顿大学的博士研究生巴斯蒂安·弗洛林(Bastiaan Florijn)展示了他的研究成果,他称这是世界上第一种机械力学上“可编程”的材料。

从外观上看,这种材料像是一块多孔的橡胶板,似乎没有太多的科技含量。但是,这些孔洞——有两种规格——其实是经过特殊设计的,可以在纵向和横向上进行压缩,这种方向的转换通过增加一个小型夹子而实现。

于是,我们最终得到的是一种超大号海绵,在挤压的过程中,它的质地可以很僵硬,也可以很柔软,或者介于二者之间。如果它在转换到柔软形态的过程中,同时仍然受到压力作用,就表现出所谓“负刚度”的性质,弗洛林称,这种性质十分奇特,目前他还没有想到如何加以应用。

不过,这种橡胶板的另一个特征可能具有十分巨大的用处:它能吸收能量。“想象一下,你可以编程出一种汽车保险杠,假如你驶入一个有很多小孩子的地方,你就会想拥有一个非常柔软的保险杠,”弗洛林说,“但如果是在高速公路上飞速行驶,你就会想它能足够坚固。”目前,弗洛林与同事们还与制鞋企业取得联系,希望能生产出根据不同地形调整的鞋子。

拯救发动机

哈佛大学的卡蒂亚·贝尔托迪(Katia Bertoldi)教授也在研究一种类似的奇特弹性材料,据称其具有负的“泊松比”(Poisson ratio)。这意味着在进行压缩的时候,这种材料会从各个方向进行收缩,而不是向另外两个侧面挤出去,变得又宽又平;而在拉伸的时候,它也会向各个方向延伸。贝尔托迪教授的团队已经开发出这种材料的多种有用特性,包括在受挤压的时候能吸收不同频率的声音。

泊松比还会影响金属的疲劳。贝尔托迪教授已经与劳斯莱斯公司合作,设计出具有复杂狭缝结构的发动机零件,可以经受住更多次的压缩周期。类似的原理还可以进一步应用到日常生活中,贝尔托迪教授称,为了获得独特的性质,我们可以研发出复合结构的建筑用砖,或者使用普通的砖,但以某种特别的方式进行组合。

反弹陶瓷管

加州理工学院的一个团队开发出了非常奇异的陶瓷材料,他们制作了非常小的陶瓷制品,在被压缩到50%之后还能反弹复原。研究团队采用的技术可以每次构造一个材料原子层,从而制造出一个空心陶瓷管网络。这些陶瓷管的壁只有几纳米厚(1纳米为1毫米的百万分之一),整个产品的厚度甚至比一张纸还薄。

他们采用的原材料是氧化铝,强度比钢还高,但与大多数陶瓷材料一样,非常的脆。不过,在陶瓷管壁厚度合适的条件下,这些微小的样品能从重击中恢复过来。尽管还远没有到实际应用的阶段,但有了足够的投资,相信这种陶瓷材料能够在一些领域中发挥重要作用。举例来说,宇宙飞船或飞机发动机或许可以使用陶瓷防护瓦来隔热,而不是使用金属罩。

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