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一块比指甲盖还小的黑色泡沫,被压一下之后,竟能“记住”自己被压得有多狠。这听起来像科幻小说,却是材料科学家的一项新成果。
美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究团队,近日在国际物理学期刊《物理评论X》上发表论文,报道了一种具有“机械记忆”的碳纳米管泡沫材料。
论文由机械工程师拉马塔桑·特瓦马兰博士担任通讯作者,阿比谢克·古普塔等人参与完成。
《物理评论X》是美国物理学会旗下的高水平开放获取期刊。
这种材料的神奇之处在于,无论受到缓慢挤压还是快速冲击,它都能稳定地“记住”自己曾经承受过的最大变形程度。
这项研究让人们看到,一块普通的缓冲材料,也可能变成一个会“记事”的传感器。
一、一片由纳米管组成的“森林”
这种材料被称为垂直排列碳纳米管泡沫。
碳纳米管是由碳原子卷曲而成的微小管状结构,直径只有头发丝的几千分之一,却拥有极高的强度和优异的弹性。
研究人员让大量多壁碳纳米管像树木一样垂直生长,密密麻麻地排列在一起,形成一片致密的“纳米森林”。实验所用的样品宽度只有约0.2英寸,也就是5毫米左右。
当这片“森林”受到挤压时,一根根纳米管会弯曲、相互靠拢,压力撤去后又能弹性恢复。
由于结构独特,碳纳米管泡沫本身就兼具轻质、高强和出色的能量吸收能力,一直被视为理想的缓冲材料。
二、“记忆”从何而来
那么,这种泡沫是如何“记住”撞击力度的呢?答案藏在纳米管之间的摩擦里。
当泡沫被压缩时,相邻的纳米管之间会发生一种“粘滑”式的相互作用,时而粘在一起,时而突然滑开。这种纳米尺度的摩擦,在材料内部留下了稳定的“印记”。
打个比方,这就像一群人挤在一起时互相推搡,事后虽然各自站回原位,但彼此之间的相对位置已经悄悄发生了变化,记录下刚才被挤压的程度。
换句话说,它的记忆既不依赖电池,也不依赖电路,完全来自材料自身的物理结构。
研究人员发现,这种材料具有一种被称为“回归点记忆”的特性。也就是说,只要再次压缩到之前的最大程度,它的响应就会精确地回到当初的状态。
更令人惊讶的是,这种记忆与压缩速度无关。研究人员在跨越三个数量级的变形速率下进行了测试,振动频率范围从1赫兹到1000赫兹。
特瓦马兰博士说,无论是非常缓慢的压缩,还是非常快速的压缩,结果都没有区别,泡沫的表现始终如一。
许多材料的力学性能会随着受力速度而明显变化,这种“速率无关”的特性,正是这项研究的一大亮点。
三、从头盔到机械计算机
这项发现可能带来多方面的应用。最直接的应用之一是更智能的头盔和缓冲衬垫。
设想一下,运动员或士兵佩戴的头盔内衬使用这种材料,一旦遭受撞击,内衬本身就能记录下冲击的强度。医生据此可以更准确地评估头部是否受到了严重伤害,而无需额外安装电子传感器。
与需要供电的电子传感器相比,这种材料更轻便、更耐用,也不怕电池耗尽。
在橄榄球、冰球、拳击等高对抗运动中,脑震荡一直是困扰运动员健康的重要问题。一种能够“自带记录”的防护材料,有望帮助及时发现潜在的头部损伤。
这种材料还可用于汽车和航天器的防护部件,帮助工程师了解部件在使用过程中究竟承受了多大的冲击。
更具想象力的应用,是构建不依赖电子元件的“机械计算机”。
既然材料本身能够存储受力信息,那么通过巧妙设计,就有可能让它像计算机一样处理信号。这类机械计算装置在强辐射、极端温度等电子设备难以生存的环境中,或许能发挥独特作用。
近年来,利用材料自身结构实现信息存储和逻辑运算的“机械超材料”,已成为材料科学的一个热门方向。
四、从实验室到现实
当然,这项研究目前仍处于实验室阶段。碳纳米管泡沫的大规模制备成本、长期使用的耐久性,以及如何方便地“读取”其中存储的记忆信息,都还需要进一步研究。
但这项成果揭示了一个有趣的方向:材料不仅可以被动地承受外力,还可以主动地记录和处理信息。
在材料科学家的眼中最大的配资网站,未来的材料或许不再只是“死”的结构,而是具备感知、记忆甚至计算能力的“智能”系统。这块会“记仇”的小小泡沫,也许正是这一趋势的一个缩影。
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