科学家用3D打印出能彻底隔绝震动的材料

如今，科学家在材料研究的漫长道路上可能迎来了一个转折点。密歇根大学和美国空军研究实验室（AFRL）的研究人员展示了一种3D打印复杂管状结构的方法，这种结构独特的内部几何形状能够以自然材料从未有过的方式抑制振动。这些造物属于一类被称为机械超材料的物质——这类人工设计的材料，其特性完全源于自身的结构设计而非化学成分。

能够阻挡或减少振动的能力在许多行业都具有重要价值，从交通到建筑等领域皆可应用。该团队的研究成果发表在《物理评论应用》期刊上，它建立在数十年的理论研究和计算机建模基础之上，成功制造出了能够被动干扰通过自身传播的振动的实际结构。

“这就是真正的创新所在。我们实现了：我们真的能造出这些东西。”美国空军研究实验室的研究助理詹姆斯·麦金纳尼说。麦金纳尼此前是密歇根大学的博士后研究员，师从物理学教授毛晓明（该新研究的作者之一）。

“我们乐观地认为这些材料能被用于有益的用途。在这个案例中，就是振动隔离。”麦金纳尼表示。

该项目部分资金来自美国国防高级研究计划局（DARPA）和海军研究办公室，同时还得到了由美国国家科学院、工程院和医学院管理的美国国家研究委员会研究协会计划的支持。

研究贡献者包括密歇根大学机械工程副教授塞里夫·托尔、得克萨斯大学的奥斯曼·乌吉里-伊德里西，以及美国空军研究实验室的卡森·威利和阿比盖尔·朱尔。

“几个世纪以来，人类通过改变材料的化学成分来改进材料。我们的工作建立在超材料领域之上，在这个领域中，是几何形状——而非化学成分——赋予了材料特殊且有用的特性。”毛晓明说，“这些几何原理可以从纳米尺度应用到宏观尺度，为我们带来非凡的稳健性。”

### 结构基础

据麦金纳尼介绍，这项研究融合了经典结构工程、现代物理学以及3D打印等尖端制造工具。

“我们极有可能能够从头开始以极高的精度制造材料。”他说，“我们的愿景是能够创造出结构极其特殊的材料，而我们要问的问题是：‘我们能用它做什么？我们如何创造出与我们习惯使用的材料不同的新材料？’”

正如毛晓明所指出的，该团队并未改变材料的化学成分或分子构成。相反，他们正在探索在精细尺度上控制形状和结构如何能产生新的、有利的机械性能。

在自然界中，这种方法早已存在。例如，人类的骨骼和浮游生物的外壳利用复杂的几何形状，从简单的材料中获得了惊人的强度和韧性。借助3D打印等技术，科学家现在能够在金属、聚合物和其他物质中复制并增强这种自然设计原理，以实现以前无法实现的效果。

“我们的想法不是要取代钢铁和塑料，而是更有效地利用它们。”麦金纳尼说。

### 新方法与旧理论的结合

虽然这项工作确实依赖于现代创新，但它有着重要的历史根基。一方面，这要追溯到19世纪著名物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的研究。麦金纳尼说，尽管麦克斯韦最著名的成就是在电磁学和热力学领域，但他也涉足力学领域，并为创建由重复亚单元（称为麦克斯韦晶格）构成的稳定结构提出了有用的设计考量。

这项新研究背后的另一个关键概念源于20世纪后半叶。当时，物理学家发现材料的边缘和边界处会出现有趣且令人困惑的行为。这催生了一个被称为拓扑学的新研究领域，该领域至今仍十分活跃，致力于解释这些行为并帮助在现实世界中利用它们。

“大约十年前，有一篇开创性的论文发现麦克斯韦晶格可以表现出拓扑相。”麦金纳尼说。

在过去的几年里，麦金纳尼和同事们探索了这项研究的启示，尤其是在振动隔离方面的应用。该团队建立了一个解释这种行为的模型，并研究了如何设计一个能展现这种行为的实际物体。现在，团队通过用3D打印尼龙实际制造出这样的物体，证明了其模型已处于最先进的阶段。

粗略一看这些结构，就能明白为什么以前制造它们是如此困难。它们就像被折叠并卷成管状的链状栅栏，有相互连接的内层和外层。物理学家称这些结构为“ Kagome 管”，这个名字源于传统的日本篮编工艺，后者使用了类似的图案。

然而，麦金纳尼表示，这只是实现此类结构潜力的第一步。例如，研究还表明，结构抑制振动的效果越好，其承重能力就越弱。在实际应用中，这是一个代价高昂、甚至可能无法接受的权衡，但它凸显了在基础层面上仍然存在的有趣机遇和问题。

随着这类新型结构的问世，科学家和工程师需要建立新的标准和方法来对它们进行测试、表征和评估，这一挑战让麦金纳尼感到兴奋。

“因为我们有了如此新颖的行为，我们不仅要揭示模型，还要探索测试它们的方法、从测试中得出的结论以及如何将这些结论应用到设计过程中。”他说，“老实说，在我们开始回答应用问题之前，这些问题是需要先解决的。”