在中国经典小说《西游记》中,孙悟空的如意金箍棒可以神奇地随意伸缩。科学界亦一直在探索开发一种可以自由调节软硬、压缩和膨胀的材料,在香港中文大学(中大)研究团队的二十一世纪实验室,出现了突破性的发现。

中大物理系徐磊教授联同博士后研究员沈翔瀛博士及房臣超博士,首次成功发现拓朴转变与物料弹性的紧密联系。团队在研究堆积模型网络结构过程中,发现物料在拓朴转变的过程中能改变弹性,并成功在实验室制造出一种新型智能弹性超材料。拓朴转变这门理论一直存在,但从来未有人将其与物料弹性扯上关系,团队的发现为开发超构物料提供了新方向。

能改变材料弹性性质的结构

堆积模型网络结构犹如一个被放满乒乓球的盒子。(此图片获CC BY-SA认可)
团队利用 3D 打印模拟超构材料中的结构,每一个节点对应每一颗粒子的中心,继而形成一组网络结构。

徐教授以乒乓球倒进盒子的动作比喻物料的网络结构。初时,乒乓球会任意在盒中活动,直至盒内空间填满,乒乓球便会停止活动,这个临界点称为「阻塞点」(jamming point),会构成一个特殊的网络结构。

根据团队的3D打印模型,可见到节点(nodes)及键(bonds)紧密连接着,而每颗节点对应着粒子的中心。当连接增加时,粒子就像乒乓球般卡在一起,使整体结构的硬度提高,令物料由液体状变成固体状。研究团队更发现,如在某些特定的节点或粒子附近增加或减少键的连结,便能改变物料的弹性性质。

徐教授认为网路结构最有趣的地方是可以透过各自调整「体积模量」(bulk modulus)及「剪切模量」(shear modulus)这两组弹性模量,了解物质抵抗外在压力的能力。「体积模量」会显示物料受来自四方八面压力下变形的难度,而「剪切模量」可了解当物料表面受到剪切力下变形的难度。例如,由于水不能被压缩,所以它的体积模量非常高;但由于它可四处流动,所以其剪切模量为零。徐教授的发现便是通过改变键或连接位,并独立调整这两组模量,令两者互不影响,可以做到将物料由近乎液态变为完全固态的效果。这种可自由改变形态的材料犹如将孙悟空的神奇金箍棒呈现眼前。

徐磊教授

智能物料应具备什么特质?徐教授认为:「新型智能物料的优势特质在于能按需要,灵活调整它的特性,以适应外在环境的不同变化。能掌握任意调整网络结构各个细节的技术,对于智能系统及物料的发展十分重要。」

徐教授一直专注基础研究,笑言未有明确计划如何扩大这个研究的神奇应用。「现阶段,我们以3D打印和智能弹簧系统,将理论框架实践。下一步,我们可以试试利用这种结构特性,制造真的弹性物料。」

可随意调节弹性的物料应用潜力庞大,比如用于产品包装的保护物料、在危险工业环境穿着的保护衣物、头盔或鞋等。团队期望日后有机会与工业厂家接触,了解他们对物料的需要,再制造适用的产品原型。

「我们对物料系统中的拓朴转变及干扰理论很感兴趣。」徐教授在美国芝加哥大学修读博士时,颗粒堆积现象被视为传统必学的一门理论,他的导师亦是这领域的专家,因此他对这门理论再熟悉不过。他续指:「虽然已有不少学者研究这个范畴,但当我们进一步研究时,却发现这种新型拓朴转变尚未被发掘,于是我们便有了这个想法,利用此现象来设计智能物料。」

根据著名英国科幻作家Arthur C Clarke提出的第三个基本定律 「任何足够新进的科技都与魔法密不可分」。这种「软硬兼备」的智能物料,绝对能跟孙悟空的金箍棒相比拟。

是次研究获香港研究资助局、中国国家自然科学基金和广东省自然科学基金支持开展,并已发表在国际著名科学期刊《自然—材料》(Nature Materials)。论文全文请参阅:https://www.nature.com/articles/s41563-021-01046-8