文/鐘麗君

美國(guó)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(jì)算機(jī)算法設(shè)計(jì)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(jì)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(cè)試，旨在致力于造出既不大量消耗材料同時(shí)又具備延展性和壓縮性的材料。

美國(guó)《高級(jí)材料》學(xué)術(shù)期刊將“施瓦茲結(jié)構(gòu)”的新型材料測(cè)試結(jié)果稱作一種藝術(shù)杰作，因?yàn)槲磥?lái)它很可能用于納米級(jí)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(cè)，未來(lái)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(guó)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(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)及材料的產(chǎn)生。萊斯大學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)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(shí)可行的打印方法。萊斯大學(xué)實(shí)驗(yàn)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(guò)分子動(dòng)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(shí)了施瓦茲自下而上的結(jié)構(gòu)。

早前有過(guò)著名研究，即海貝如何在極端壓強(qiáng)下通過(guò)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(qián)德拉·斯克海爾·廷瓦瑞曾評(píng)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(shí)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(jiān)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(wèn)世。

施瓦茲結(jié)構(gòu)也會(huì)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?yàn)槿绻蛞贿吺?，它的另一邊則會(huì)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(huì)慢慢坍塌，此時(shí)內(nèi)物就能得到很好的保護(hù)。

因?yàn)榉肿幼儞Q有多種形式，萊斯大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)因此將其研究限于最初由施瓦茲設(shè)計(jì)的周期性最小表面的原始螺旋結(jié)構(gòu)上。在研究測(cè)試中，無(wú)論哪一側(cè)被施力，整個(gè)幾何構(gòu)架中都可傳遞載荷。這在原子級(jí)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(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬研究納米結(jié)構(gòu)。當(dāng)他獲知美國(guó)同類研究后，立即建議巴西物理學(xué)會(huì)與美國(guó)物理學(xué)會(huì)共同研究這一項(xiàng)目。

令人震驚的是，仍有一些原子級(jí)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(huì)很理想。經(jīng)過(guò)一番嘗試，效果果然不錯(cuò)。這篇論文很好地見(jiàn)證了理論向試驗(yàn)推進(jìn)二者協(xié)同合作的過(guò)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(duì)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(lái)遠(yuǎn)景中，他們?cè)O(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(méi)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(kāi)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(lái)。

（據(jù)美國(guó)《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/）