可反复改写的数字复合材料

材料中不同物相的空间排列（即相结构）是天然和人工复合材料功能多样性的基础。然而，传统复合材料的相结构一旦形成便固定不变，极大限制了材料的适应性。为此，本研究提出了一种体素分辨率下具有可编程固液相结构的数字复合材料。

这种复合材料的基本单元是弹性体体素，每个体素包含液态金属复合物（LMC）。LMC由镓（95.2%重量占比）和铁颗粒（4.8%重量占比）组成，通过设计过冷现象，使其在特定温度范围内能稳定保持固态或液态。体素表面集成的柔性电极可通过焦耳热实现体素级精准温控，让LMC在几秒内完成固态与液态的电切换，且切换后无需持续耗能即可在室温下稳定保持状态（非易失性），类似硬盘的“擦除-写入-存储”循环。

实验表明，该复合材料的重编程速度快（最短约3秒），且能承受超过500次拉伸循环（应变达13.6%）。通过模块化组装策略，可将体素扩展为二维阵列（如9×9）或三维实体结构（如6×6×6立方体、3×3×30梁），就像乐高积木一样灵活搭建复杂形状。

高通量实验和有限元模拟验证了其优异的性能调控能力：在粘弹性方面，可通过改变相结构在广泛范围内调节杨氏模量、泊松比和损耗因子，仅一周内就测试了6万多种构型，其中近万种具有近各向同性；在塑性方面，能重复测试并调控屈服应变，揭示了界面脱粘的屈服机制；还能通过动态编程相结构，模拟常规（弹性、塑性、粘弹性）和非常规（如心形）的应力-应变曲线，最大应力偏差仅11.8%。此外，优化相结构可有效减轻不同载荷下的应变集中，例如在纯拉伸、纯剪切和复合载荷下，应变最大值分别降低27%、29%和21%。

三维可编程复合材料已展现出应用潜力。例如，将3×3×30体素梁作为机器鱼的尾部，通过编程不同相结构，可实现机器鱼直线游动、转向或几乎静止（因扭转耗能）等不同运动模式。

该研究为材料相结构的动态调控提供了变革性策略，其硬盘式相切换机制可扩展到其他具有热滞后特性的相变材料。未来有望通过集成主动冷却技术减少对外部制冷的依赖，结合批量制造和3D打印实现规模化与微型化，并集成传感元件实现自适应智能响应，在软体机器人、自适应结构等领域具有广阔前景。