強(qiáng)度更高，重量更輕：用3D打印技術(shù)升級材料性能

文/鐘麗君

美國萊斯大學(xué)的工程師試圖采用3D打印技術(shù)將目前市面上存在的材料轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性強(qiáng)勁、輕巧耐用的復(fù)合折疊結(jié)構(gòu)的新型材料。

這種參照計算機(jī)算法設(shè)計的滲透結(jié)構(gòu)被稱為“施瓦茲結(jié)構(gòu)”。萊斯大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可把數(shù)據(jù)從設(shè)計程序中發(fā)送給打印機(jī)，并以此做出聚合物模型并用于測試，旨在致力于造出既不大量消耗材料同時又具備延展性和壓縮性的材料。

美國《高級材料》學(xué)術(shù)期刊將“施瓦茲結(jié)構(gòu)”的新型材料測試結(jié)果稱作一種藝術(shù)杰作，因為未來它很可能用于納米級電子設(shè)備、催化劑、分子篩和電池成分等微觀類別中，在宏觀上也可用于高承重、抗沖擊建筑、汽車和飛機(jī)行業(yè)。研究學(xué)者預(yù)測，未來采用3D打印技術(shù)也許能完整打印出一幢用施瓦茲結(jié)構(gòu)“磚頭”砌成的大樓。

1880年，德國科學(xué)家赫爾曼·施瓦茲提出施瓦茲結(jié)構(gòu)并給其命名，由此啟發(fā)了大量有機(jī)和無機(jī)結(jié)構(gòu)及材料的產(chǎn)生。萊斯大學(xué)諾貝爾獎得主巴克敏斯特·富勒的發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家界獲得靈感并把研究視角從二維擴(kuò)大到三維。

這些結(jié)構(gòu)一直處于理論階段直到3D打印機(jī)第一次提供了切實可行的打印方法。萊斯大學(xué)實驗室材料科學(xué)家普林克科爾與巴西坎皮納斯州立大學(xué)專家圣保羅合作，通過分子動力學(xué)模擬然后將結(jié)果打印在聚合物形狀中，進(jìn)一步證實了施瓦茲自下而上的結(jié)構(gòu)。

早前有過著名研究，即海貝如何在極端壓強(qiáng)下通過轉(zhuǎn)換壓力保護(hù)其軟體。萊斯大學(xué)博士后研究學(xué)者錢德拉·斯克海爾·廷瓦瑞曾評論道：這些結(jié)構(gòu)的幾何圖形異常復(fù)雜，幾乎都是彎曲的，同時內(nèi)表帶有負(fù)曲率，其形態(tài)讓人著迷。

施瓦茲結(jié)構(gòu)與這類形態(tài)非常相似。從原子尺度看，這些材料都十分堅硬。若用聚合物使幾何形狀變大，一種具有高承載力的材料即可問世。

施瓦茲結(jié)構(gòu)也會表現(xiàn)出良好的變形特征。專家認(rèn)為，材料分裂的方式很重要，當(dāng)然不希望看到遽然分裂，而是緩慢脫離式的物質(zhì)分離。這些結(jié)構(gòu)很漂亮，因為如果向一邊施壓，它的另一邊則會緩慢變形。人們甚至可用這種材料建造完整的建筑，若有重物掉下，它會慢慢坍塌，此時內(nèi)物就能得到很好的保護(hù)。

因為分子變換有多種形式，萊斯大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊因此將其研究限于最初由施瓦茲設(shè)計的周期性最小表面的原始螺旋結(jié)構(gòu)上。在研究測試中，無論哪一側(cè)被施力，整個幾何構(gòu)架中都可傳遞載荷。這在原子級模擬和打印模型中都得到印證。

讓人意想不到的是，巴西坎皮納斯州立大學(xué)教授道格拉斯·嘉瓦羅也在專注于通過分子動力學(xué)模擬研究納米結(jié)構(gòu)。當(dāng)他獲知美國同類研究后，立即建議巴西物理學(xué)會與美國物理學(xué)會共同研究這一項目。

令人震驚的是，仍有一些原子級特征被保留在打印結(jié)構(gòu)中。若把施瓦茲原子模型轉(zhuǎn)碼翻譯為3D印刷結(jié)構(gòu)，結(jié)果將會很理想。經(jīng)過一番嘗試，效果果然不錯。這篇論文很好地見證了理論向試驗推進(jìn)二者協(xié)同合作的過程。研究人員表示，他們的下一步將采用更高分辨率打印機(jī)對表面進(jìn)行精制，并進(jìn)一步減少聚合物材料的用量，使其整體更輕。在未來遠(yuǎn)景中，他們設(shè)想利用陶瓷和金屬材料進(jìn)行宏觀3D打印施瓦茲結(jié)構(gòu)材料。

專家認(rèn)為，沒理由讓世界上所有建筑都用磚砌成。人類現(xiàn)在基本上可以造出完美晶體——從單一細(xì)胞開始向各種方向不斷延展復(fù)制，讓新型材料的建筑衍生而來。

（據(jù)美國《紡織世界》近期資料http://www.textileworld.com/textile-world/nonwovens-technical-textiles/2017/11/rice-researchers-use-3-d-printers-to-turn-century-old-math-theory-into-strong-lightweight-structures/）