学术|Nature：“反牛顿”的高科技版“软猬甲”问世，一作为华人科学家( 二 )
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（来源：Pixabay）
事实上，这种违反常识的事情在生活中却屡见不鲜 。
比如做饭时经常用到的淀粉，当你将淀粉溶液放在手上时，它会像所有流体一样从指缝中流走，而使劲握住它时，又会变得非常坚硬 。在淀粉溶液做成的泳池中，人们甚至可以表演“轻功水上漂” 。
这就是“吃软不吃硬”的非牛顿流体，又称为剪切增稠流体 。顾名思义，非牛顿流体在受力较缓慢的情况下，产生的阻力较小；在受力较大时，就会产生较大的阻力 。
这就是非牛顿流体呈现的流体塑性和固体刚性行为，而此次研究中的链甲也具有同样的性质 。
为什么能这么“硬”？由于具有特定性能材料需求的日益增长，调整和细化材料的化学和纳米结构已经无法满足需要，因此“结构化”材料应运而生 。
此次研究中的“链甲”是一种由两层互锁颗粒组成的结构化织物 。据论文描述，这种织物材料在围压下会经历一个相变（堵塞转变），从而改变其机械性能，由柔软的纺织品变成坚硬的外壳 。
事实上，这种“链甲”的高强度来源于其在负载下表现出的一种堵塞转变，将它们从软力学变为硬力学 。
研究人员重新审视了“链甲”的机制，重点研究了堵塞过渡 。研究结果表明，使用围压作为驱动力，可以从根本上改变这种织物的拉伸和弯曲性能，而且这种变化是可逆的 。
当研究人员将这种材料放入一个柔软的密封塑料袋中并抽出空气时，产生的围压足够大，足以触发织物的堵塞转变 。
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（来源：该论文）
为了理解导致弯曲刚度增加（链甲在受力下变硬）的基本机制，研究人员使用数值模拟研究了颗粒之间的微观结构相互作用和位移 。通过构建空心八面体粒子的“数字孪生体”来模拟织物，然后对其进行复制和重新排列 。
作为对比，研究中采用了由相同空心八面体组成的没有拓扑互锁结构的的组件进行相同的虚拟实验 。结果表明，互锁织物在相同的围压下表现出更高的弯曲模量（大约高 3 倍） 。
这可归因于拓扑互锁结构引起的颗粒之间的拉伸阻力，这种阻力在松散的颗粒聚集体中是不存在的 。
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（来源：该论文）
为了探索颗粒几何形状和堵塞结构的机械性能之间的关系，研究人员设计了另外五种三维颗粒几何形状，并构造了相应的互锁织物，并利用验证过的最小二乘离散元模型研究这些织物在三点弯曲试验下的力学响应 。
结果表明，在某一起始值 Z0（Z0 定义为粒状结构结构刚性所需的临界接触数）之后，表观弯曲模量随着平均接触数单调增加 。
作为比较，研究人员还模拟了由互锁的环形和方形颗粒组成的经典链甲层的两层堆叠，来自这些经典的链甲层的结果也遵循先前观察到的幂律缩放 。
应用场景广泛据论文描述，这种结构织物具有很好的形成可重构性，就像纸一样可以弯曲折叠，或者固定成需要的形状，比如像桥一样的拱形 。
在固定成某种形状后，织物仍具有承重能力 。研究人员将织物放置成平板形和拱形并且施压，结果表明，由此产生的结构具有机械刚性，能够承受超过自身重量 30 倍的载荷 。
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