麻省大學(xué)阿默斯特分校的科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出可以吸收和釋放大量能量的新材料

“想象一根橡皮筋，”麻省大學(xué)阿默斯特分校聚合物科學(xué)與工程教授、該論文的資深作者Alfred Crosby說(shuō)。“你把它拉回來(lái)，當(dāng)你放開(kāi)它時(shí)，它就會(huì)飛過(guò)房間?，F(xiàn)在想象一個(gè)超級(jí)橡皮筋。當(dāng)您將其拉伸超過(guò)某個(gè)點(diǎn)時(shí)，您會(huì)激活存儲(chǔ)在材料中的額外能量。當(dāng)你松開(kāi)這條橡皮筋時(shí)，它會(huì)飛一英里。”

這個(gè)假想的橡皮筋是由一種新的超材料制成的——一種被設(shè)計(jì)成具有天然材料中沒(méi)有的特性的物質(zhì)——它結(jié)合了一種彈性的橡膠狀物質(zhì)和嵌入其中的微小磁鐵。這種新的“彈磁”材料利用稱(chēng)為相移的物理特性來(lái)極大地放大材料可以釋放或吸收的能量。

當(dāng)材料從一種狀態(tài)移動(dòng)到另一種狀態(tài)時(shí)，就會(huì)發(fā)生相移：想想水變成蒸汽或液體混凝土硬化成人行道。每當(dāng)一種材料改變其相位時(shí)，能量要么被釋放要么被吸收。相移不僅限于液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)之間的變化——從一種固相到另一種固相的轉(zhuǎn)變也可能發(fā)生?？梢岳冕尫拍芰康南嘁谱鳛殡娫?，但獲得足夠的能量一直是困難的部分。

“為了放大能量釋放或吸收，你必須在分子甚至原子水平上設(shè)計(jì)一個(gè)新結(jié)構(gòu)，”克羅斯比說(shuō)。然而，這具有挑戰(zhàn)性，甚至更難以以可預(yù)測(cè)的方式進(jìn)行。但是通過(guò)使用超材料，克羅斯比說(shuō)：“我們已經(jīng)克服了這些挑戰(zhàn)，不僅制造了新材料，還開(kāi)發(fā)了設(shè)計(jì)算法，使這些材料能夠以特定的響應(yīng)進(jìn)行編程，使其可預(yù)測(cè)。”

該團(tuán)隊(duì)受到自然界中一些閃電般的快速反應(yīng)的啟發(fā)：捕蠅草和捕蠅草的快速關(guān)閉。“我們已經(jīng)把它提升到了一個(gè)新的水平，”該論文的主要作者，目前是中國(guó)深圳哈爾濱工業(yè)大學(xué) (HITSZ) 的教授，他在麻省大學(xué)阿默斯特分校做博士后期間完成了這項(xiàng)研究。“通過(guò)將微型磁鐵嵌入彈性材料中，我們可以控制這種超材料的相變。而且由于相移是可預(yù)測(cè)和可重復(fù)的，我們可以設(shè)計(jì)超材料來(lái)完成我們想要它做的事情：要么從大沖擊中吸收能量，要么釋放大量能量以進(jìn)行爆炸性運(yùn)動(dòng)。”