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。“你把它拉回來，當(dāng)你放開它時(shí)，它就會(huì)飛過房間。現(xiàn)在想象一個(gè)超級(jí)橡皮筋。當(dāng)您將其拉伸超過某個(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”材料利用稱為相移的物理特性來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矗@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。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。但是通過使用超材料，克羅斯比說：“我們已經(jīng)克服了這些挑戰(zhàn)，不僅制造了新材料，還開發(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)。”