百變超構材料 軟硬隨心轉化

古典小说《西游记》中，孙悟空的如意金箍棒有变大变小的神奇功能，从材料角度即是能随意变化其体积。而在现代科学世界，透过超构材料（Metamaterial，又称超材料）领域的探索，中文大学物理系教授徐磊及其团队亦有相当大的突破，不单成功提出崭新调控材料弹性的理论，更以此设计出弹性随心所欲的材料，借其网络组成结构的细微改变，做到「想软就软，想硬就硬」！ 团队目前透过3D打印实验室制造出多款可自由调节弹性的新型弹性材料，未来将利用人工智能的机器学习理论，进一步调节有关参数，期望日后于工业、建筑及防震材料上有广阔的应用前景。 徐磊日前接受香港文汇报专访，分享其有关弹性超构材料的研究成果。他表示，物料的弹性主要是看其压缩模量（受到挤压）及剪切模量（受平行剪切的力），调节弹性的关键之处在于如何调控这两个模量。普遍来说，固体的两种模量比例较为固定，剪切模量大、压缩模量也很大，可以说同大同小，无法调节。 其团队的目标，便是建构一个功能强大的系统结构，能随心意调节这两个模量，成为新型智能弹性材料。团队透过设计独特的立体网络结构，探索网络的空间及几何变化，对整个结构的力学弹性有何影响，并首次在理论上发现「拓扑转变」的增减与材料弹性性质的紧密联系，进而做到材料弹性「随心所欲」。 徐磊解释说，团队利用立体结构中构建三角锥的数目等，调节压缩模量或剪切模量的数值，使其一大一小进行调节材料的弹性。当材料中三角锥较少，就可以调节剪切模量或压缩模量，有较大的空间调节材料的弹性，而如将结构全部变成由三角锥构造，成为一个完全三角化的体力结构，该材料很像晶体、固体结构的性质，剪切模量及压缩模量是一个固定的数值，无法调节。 改变拓扑链接 同时变硬变软 至于「拓扑转变」，则涉及抽象的数学概念。简单来说，在空间之中，拓扑变量是由点线面的关系组成的，一个平面如果钻一个洞它的拓扑就会改变，三角锥的拓扑就是从某个顶点的高线突破了垂直的面。徐磊指，透过改变拓扑链接，就像一个「锁头」，将剪切模量和压缩模量锁定在想要的数值，令两种模量同时变硬、同时变软。不仅可以最大限度地自由调节材料的弹性，而且用任何材料构建只要达到设定的结构都可以百变随心，就像「万精油」一样的结构系统。 至于最新发展，徐磊指，在搭建该超构材料系统时，非常多的链接构件，以往只能一个一个地试，但牵一发而动全身，经过可能成百上千的实验才成功。因此，团队利用AI机器学习的方法，在设计新结构、新功能的时候，找到最优解同时亦找到最有效的链接调节模量。 在防冲击防震有重大潜力 徐磊表示，团队目前已经成功有效调节弹性超构材料的泊松比（Poisson's ratio），设计出在垂直方向受挤压之时，水平方向亦会收缩的特殊材料，预计未来会进一步透过机器学习就不同参数作调节及尝试。 应用方面，他举例指，因为构建的超构材料可自由调节弹性，故在包括建筑与汽车的防冲击、防震方面有重大潜力，特别是上述垂直及水平方向同时收缩的特殊材料，在愈受挤压时会愈加结实，提供了自然物料所欠缺的保护力。 ●香港文汇报记者 郭虹宇、任智鹏