什么是超材料-解读4D打印的新型-超材料-知识

在自然界中，蜂窝状结构展示了惊人的机械效率，特别是在不同性能相互耦合方面。考虑自然界中的随机蜂窝结构，如牙齿、骨骼和鸟喙，它们的密度与强度和韧性相比，表现十分出色。一些材料学项目致力于模仿这些自然结构，例如聚合物或金属泡沫的设计与功能。这些合成材料在模拟自然结构的原理下展现出卓越的性能。

相较之下，有序的蜂窝结构，包括那些自然进化而来的周期结构，往往超越随机结构的表现。以软体动物的防御甲壳为例，其珍珠状内层由坚硬的砖块样结构紧密排列而成。与此螳螂虾进化出了攻击性的大螯钩，用于高速撞击，其前螯部分由抗断裂的矿化纤维以螺旋状方式堆叠而成。这些自然界的例子展示了有序结构在提升材料性能方面的优势。

周期性和层次性的结构在大型建筑中得到了广泛应用，如桁架桥和埃菲尔铁塔。随着新型制造和3D打印技术的发展，现在可以在纳米、微、中、宏观等各个层次上构建蜂窝结构。这些材料表现出独特的机械、功能和热性能组合，已成为所谓的“超材料”。这些超材料是自然界所没有的，具有轻量却坚硬、高机械弹性、负泊松比以及具有负热膨胀系数的特性。过去，这些材料和建筑在成型后往往无法改变，这限制了其应用。如今，随着技术的进步，这些超材料的潜力得到了进一步挖掘，为未来的建设和创新提供了无限可能。探索前沿科技：4D打印的新纪元

为了满足对更为灵敏、适应性更强的材料的需求，一个全新的研究热点正在材料领域崭露头角——“4D打印”。不同于传统的3D打印，这个“D”代表时间的深度。

想象一下，不仅仅是能在X、Y、Z轴上自由变换，材料还能根据外部条件的变化，随时间展现出不同的形态与功能。这一切的魔法，都源于机械力、温度、膨胀和磁场的奇妙作用。这些条件下，4D打印材料仿佛拥有了生命，能够自我重新配置，展现出千变万化的颜色和形状。

现有的4D打印技术仍面临挑战。有的缺乏对机械性能的高度精确控制，有的则因为传输限制或化学反应的缓慢而需要漫长的反应时间。为了突破这些限制，一群来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室、阿贡国家实验室以及加州大学的材料科学家们，提出了一种创新的4D打印方案——磁场反应机械超材料（FRMM）。

这种技术不仅展示了可编程、可预测和高度控制的机械性能变化，还拥有大动态范围和快速可逆的响应特点。更妙的是，它可以通过远程磁场进行便捷的操作。那么，它是如何做到的呢？

研究者们巧妙地将磁流变流体悬浮液（MR）引入三维打印聚合物管的核心部分。这些聚合物管，是由蜂窝单元和晶格的构建模块组成的。MR是由铁磁性微粒悬浮在非磁性液体中形成的，当磁场作用时，它的粘度会迅速变化。在没有磁场的情况下，MR流体中的悬浮颗粒随机分布，流动自如，仿佛一池活水。

一旦磁场启动，奇迹发生了。悬浮颗粒会沿着磁场线排列成链，形成针状、叶片状的奇妙结构。随着磁场的增强，MR流体的粘度逐渐增加，直至达到饱和状态。即使再加强磁场，也不会产生额外的流变效应。

这项研究为4D打印技术的发展揭开了新的篇章，带来了更为广阔的应用前景。未来的世界，或许将因为这些灵活、智能的材料而变得更加精彩。在提出理论框架后，研究团队展开了一系列复杂且精细的测试与验算工作，这里就不一一详述了。简而言之，他们创造了一种包含支柱、蜂窝单元和晶格的3D结构，其制造过程依赖于一种先进的光化学技术——大投影面积微立体光刻技术（LAPμSL）。通过这项技术，研究团队将液态树脂逐步固化，形成层层叠加的2D结构，然后将基片浸入树脂浴中，再通过扫描堆栈来添加后续图像，以构建下一层。这一流程不断重复，直至完成一个完整的3D部件的制造。

实验成果显著，研究团队成功研发出了具有可调性的FRMM，它拥有大动态范围，对远程应用磁场表现出快速且可逆的机械响应。团队还通过对单个磁流变杆的制作和测试，建立了一个经验校准模型，该模型能预测FRMM网格的磁力学响应，为未来的设计优化提供了有力支持。

更为值得一提的是，研究团队结合3D打印技术和可控流体输送方法，创新了一种全新的制作流程。未来的FRMM可能会由主动寻址的微流体网络构成，其中MR流体的组成可以在空间和时间上进行精准调整，从而进一步拓展设计和可访问的属性空间。磁场的调整将增强方向控制，适应更广泛的变形模式和应用环境。预计FRMM将在软体机器人、快速适应头盔、具有消振性能的智能可穿戴设备等领域大放异彩。

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