據(jù)外媒報(bào)道，由格拉斯哥大學(xué)（University of Glasgow）工程師領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)以天然材料的細(xì)胞結(jié)構(gòu)為靈感，開發(fā)了一種新型輕質(zhì)3D打印智能建構(gòu)化材料（smart architected material），能夠感應(yīng)到自身的結(jié)構(gòu)變化。

該團(tuán)隊(duì)將一種常見的工業(yè)塑料與碳納米管混合，創(chuàng)造出一種比同類傳統(tǒng)材料更堅(jiān)韌、更牢固、更智能的材料。這種塑料原本不導(dǎo)電，但受益于納米管，可在整個(gè)結(jié)構(gòu)中攜帶電荷。當(dāng)該結(jié)構(gòu)承受機(jī)械載荷時(shí)，其電阻會(huì)發(fā)生變化。這種現(xiàn)象稱為“壓電電阻率”（piezoresitivity），使材料能夠“感知”自身的結(jié)構(gòu)健康狀況。此外，研究人員利用先進(jìn)的3D打印技術(shù)，創(chuàng)建了一系列復(fù)雜的中尺度多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有助于減輕整體重量，并充分提升機(jī)械性能。

這種蜂窩狀材料的設(shè)計(jì)靈感，類似自然界中輕且堅(jiān)固的多孔材料，如蜂巢、海綿和骨頭。研究人員認(rèn)為，這種材料可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、假肢、汽車和航空航天設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。這些領(lǐng)域需要密度低、堅(jiān)韌、具有自感應(yīng)能力的材料。

研究人員探討三種不同的納米工程設(shè)計(jì)，以測(cè)試其能量吸收和自感應(yīng)特性。這些設(shè)計(jì)利用定制材料（由聚丙烯無規(guī)共聚物和多壁碳納米管制成）打印而成。研究人員經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，綜合考慮機(jī)械性能和自感應(yīng)能力，其中一種立方體形狀的“板格”（其中包含緊密排列的平板）表現(xiàn)最出色。這種晶格結(jié)構(gòu)在受到單調(diào)壓縮時(shí)，具有與相同相對(duì)密度的泡沫鎳相似的能量吸收能力，其性能也優(yōu)于其他一些相同密度的傳統(tǒng)材料。

這項(xiàng)研究由格拉斯哥大學(xué)詹姆斯·瓦特工程學(xué)院的Shanmugam Kumar博士、劍橋大學(xué)的Vikram Deshpande教授和麻省理工學(xué)院的Brian Wardle教授共同領(lǐng)導(dǎo)。

Shanmugam Kumar博士表示：“在如何平衡性能和結(jié)構(gòu)以創(chuàng)造高性能輕質(zhì)材料方面，大自然能夠給予工程師很多啟示。研究人員從中獲得了開發(fā)這種新型蜂窩狀材料的靈感。與傳統(tǒng)制造的同類材料相比，這種材料具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以通過微調(diào)操控其物理性能?！?/p>

“研究人員選擇的聚丙烯無規(guī)共聚物，具有更好的可加工性、耐溫性、產(chǎn)品一致性和抗沖擊強(qiáng)度。碳納米管提供導(dǎo)電性，同時(shí)使其在機(jī)械上更牢固。在設(shè)計(jì)中可以選擇孔隙度的大小，構(gòu)建多孔幾何形狀，從而提高質(zhì)量比力學(xué)性能。

“像這樣的輕質(zhì)、更加堅(jiān)韌、自感應(yīng)材料，具有很大的實(shí)際應(yīng)用潛力。例如，有助于制造更輕、更高效的車身；或者為患有脊柱側(cè)彎等疾病的人制造背部支架，以感知病人的身體是否得到最佳支持；甚至可以用來制造新型電池電極?！?/p>

這篇研究論文題為“通過增材制造實(shí)現(xiàn)納米工程自感知晶格的多功能性”（Multifunctionality of nanoengineered self-sensing lattices enabled by additive manufacturing），發(fā)表在《先進(jìn)工程材料》（Advanced Engineering Materials）雜志上。

來源：上海錦町新材料科技整理自網(wǎng)絡(luò)

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