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結構織物，如編織片材或鏈甲，其屬性都來自于其本構材料和幾何形狀。通過合理的設計，可以達到理想的特性，如高抗沖擊性，熱調節，或電導率等。然而，一旦實現，織物的性能通常是固定的。

在此，來自美國加州理工學院的Chiara Daraio等研究者，展示了具有可調諧彎曲模量的結構織物，它由三維粒子排列成分層的鏈甲組成。相關論文以題為“Structured fabrics with tunable mechanical properties”于2021年08月11日發表在Nature上。

在此，研究者受古代鏈甲和拓撲連鎖元素的啟發，設計了一種由兩層連鎖顆粒組成的結構織物。在該材料中，每個粒子都是一個中空的三維結構，由連接桁架構成，旨在降低整體密度，增強元素之間的接觸(圖1a)。之所以選擇八面體粒子，是因為它們的90°旋轉對稱性，能夠在連鎖結構中形成一個正方形的2D晶格，而且它們的尖角增加了層與層之間的接觸。鏈甲是通過將相鄰的粒子相互旋轉90°，并在拓撲上將所有粒子連鎖而不形成固體連接而形成的。該連鎖晶格是使用選擇性激光燒結方法制造的，該方法在沒有額外支持的情況下打印出一塊晶格(圖1b)。

通過堆疊兩個鏈甲，可以增加連接的數量。像鏈甲一樣，制成的結構薄片可以自由彎曲、折疊和覆蓋彎曲的物體(圖1c, d)。研究者避免了3D打印的鏈甲，通過厚度(即，兩層堆疊，但沒有物理連接)的粒子相互鎖扣，以允許層之間滑動，這導致了更高的靈活性。

鏈甲形狀復雜，但當對其邊界施加壓力時，粒子相互鎖住，鏈甲堵塞。研究發現，當外部壓力較小(約93千帕斯卡)時，薄片的硬度會比松弛狀態下高出25倍以上。彎曲阻力的急劇增加，是因為聯鎖顆粒具有很高的抗拉性能，不像松散顆粒介質。研究者使用離散元模擬將鏈甲的微觀結構與宏觀特性聯系起來，并解釋了實驗測量結果。研究發現，由不同的非凸顆粒組成的鏈甲，經歷了一個與傳統凸介質行為相似的冪律特征函數描述的干擾相變。

Nature：巧奪天工！力學性能可調的結構織物

圖1. 鏈甲結構的設計和原型

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圖2. 可變圍壓彎曲和拉伸試驗

圖3. 不同圍壓下模擬得到的微觀結構信息

圖4. 形狀可重構，可調抗沖擊性和應用。

綜上所述，該研究工作系統地探索了由幾何形狀精確控制的非凸互鎖粒子組成的結構織物在干擾過渡過程中的力學特性。由于干擾過渡是一種尺度不變的物理現象，由離散粒子組成的可重構織物可以在不同尺度上實現(圖4e)。

因此，該工作提供了輕質、可調諧和自適應織物的路線，在可穿戴外骨骼、觸覺架構和可重構醫療支持方面，具有潛在的應用前景。

文獻信息

Wang, Y., Li, L., Hofmann, D.?et al.?Structured fabrics with tunable mechanical properties.?Nature?596,?238–243 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03698-7

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03698-7

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