扭转屈曲可以解锁超弹性手性结构

中美两国研究人员团队开发出一种新方法，利用一种名为“扭转屈曲”的技术来提升高焓弹性材料的性能。这种新设计有望创造出更轻、性能更强大的超材料。以下是您需要了解的内容。

什么是高焓弹性超材料及其重要性

高焓弹性超材料是工程师吸收冲击、提高承载能力和储存机械能的关键方法。这些材料是当今高科技设备的关键组件。

这一概念的一个常见例子是设想一个由直杆构成的结构。现在，设想一下同样的结构，只是杆略微扭曲了一下。轻微的扭曲赋予了杆更强的抗冲击性和负载能力。因此，高焓弹性材料通过轻质结构实现了抗冲击性和运动灵活性，并可根据各种应用进行定制。

下一代超材料面临的挑战

目前，高焓弹性超材料存在几个问题，必须解决这些问题才能提高其应用率。首先，它们需要工程师构建具有相反特性的结构。

这些材料需要能够承受压力，但在某些位置仍保持刚性。它们需要足够坚固，但又足够柔软，能够吸收冲击力而不损坏。此外，这些结构可以在纳米尺度上设计，这增加了它们的复杂性。值得庆幸的是，一个由中美工程师组成的团队引入了一种新方法，利用一种名为“扭转屈曲”的概念来创建超高性能手性结构。

扭转屈曲简介：超材料设计的颠覆性技术

该研究题为“通过扭转屈曲实现手性超材料中大量可恢复的弹性能量=¹ 阐明了如何通过自由旋转的手性元胞创建高焓弹性超材料。这些元胞利用融合了扭转、压缩和弯曲的手性结构，实现了更高水平的抗冲击性和弹性。

资料来源：自然

了解机械工程中的手性结构

工程师们指出，手性结构是实现增强的理想起点。“手性”一词指的是无法叠加到镜像上的物体。最简单的理解方法就是想象一下你的手。虽然你的手会在镜子中反射，但它无法以任何方式旋转，使反射与图像一致。

目前使用的手性结构有多种类型，包括手性分子、立体中心、轴手性和平面手性。由于几何形状或轴的原因，这些手性结构无法与其镜像叠加。值得注意的是，手性结构具有一些独特的优势，例如能够同时拥有正常模式和变形模式。

扭转屈曲如何增强能量储存和弹性

在变形模式下，手性结构可以储存大量能量，同时保持其结构完整性。科学家们改进变形模式性能的方法之一是采用拉伸屈曲变形策略。

扭转屈曲变形

多年的研究使工程师们发现，通过将轴向变形和扭转结合起来，可以提升手性结构的性能。有趣的是，工程师们利用手性结构本身来触发变形。

扭转屈曲

如今，随着扭转屈曲的引入，这一概念得到了进一步发展。该结构采用镜像对称的元胞结构。这些结构具有手性臂，这些臂集成了远距离双同轴环面。这些单元具有从手性结构延伸出来的杆，确保在施加压力时，结构能够以适当的角度旋转。

扭转后屈曲行为

作为研究的一部分，工程师们创建了几种手性结构，并研究了它们的屈曲后行为。这一步骤使他们能够做出一些关键的区分。首先，他们能够完全捕捉到每根杆的四种变形模式。这些模式分别是面内弯曲、面外弯曲、扭转和压缩。

他们注意到，在许多手性设计中，随着结构变得更加紧密，内部核心仍然处于空缺状态。他们还发现，手性棒的断裂点通常位于棒表面的扭曲带状区域。随后，他们记录了这些数据，并将其纳入微极性弹性框架。

并不总是更好

工程师们还指出，与扭杆设计相比，传统杆如果在失效前充分利用，可以储存更多能量。然而，当传统杆失效时，扭杆能够继续正常工作，避免灾难性的失效。

实验证明：3D打印手性结构带来突破性成果

为了验证他们的理论，工程师们创建了几种不同的手性结构。他们利用3D打印机试验了多种棒状、梁状和板状样品。这些样品分别使用橡胶或TC4钛合金制成。

扭转屈曲试验结果

敏锐的是，测试结果表明手性扭转屈曲行为与科学家的分析预测相符。此外，团队还报告了显著的性能提升。具体而言，未经优化的手性超材料屈曲强度提高了5至10倍，焓值最高提高了160倍，单位质量能量最高提高了32倍。

有趣的是，工程师们注意到，平面内和平面外弯曲都遵循团队设定的1/2阶屈曲模式。此外，手性棒的储能能力是非手性棒的4倍。

扭屈曲的好处

扭转屈曲研究为市场带来了诸多益处。首先，它提升了手性结构的性能，而手性结构是下一代超材料和先进制造方法的理想组成部分。新的设计为工程师提供了一种将故障纳入设计的方法。想象一下，一个器件能够随着负载的增加而平稳屈曲，而不是突然断裂或弯曲。这些器件可以帮助防止灾难性的故障，同时又具备纳米级制造的能力。

扭转屈曲超材料的实际应用

这些先进的扭转屈曲手性结构应用广泛。它们具有更高的弹性，能够抵御不必要的压力，同时避免变形结构和能量的损失。因此，许多行业都依赖于这些单元。以下是目前手性结构的一些应用。

医疗行业

医疗领域将利用这项技术来改善市场的多个方面。这些结构可用于制造灵敏的生物传感器。这些传感器可以比其他方法更早地向医疗保健专业人员发出疾病和其他问题的警报。

手性结构的另一个用途是药物输送。研究人员已经创造出能够靶向特定类型细胞的手性结构。这些装置使医疗保健专业人员能够改善难以触及的部位（例如肾脏或肝脏）的治疗效果，因为这些部位会不断排出体内物质。

工业

手性结构有多种工业用途。例如，它们被用作催化剂，促进化学反应。手性结构也是纳米技术的关键组成部分。纳米管依靠手性结构来确保其在如此微小的尺度下的刚性。

超材料的未来：扭转屈曲之后会发生什么？

来自多个高水平机构的研究人员团队参与了这项研究，其中包括国防科技大学智能科学与技术学院装备状态感知与智能保障国家重点实验室（位于中国长沙）。其中，方鑫、余殿龙、温继红和戴一帆为主要作者，戴一帆、Matthew R. Begley、高华建和Peter Gumbsch也参与了研究。

扭曲屈曲的未来

工程师们将致力于加深对手性结构和扭转屈曲的理解。他们将整合新材料，并利用计算机模拟来测试其他方法和方案。目标是以与现有方案相同或更低的成本，创造出超高性能的手性结构。

投资纳米技术领域

纳米技术领域有很多公司涉足。这个高科技市场被视为全球许多最先进产业的未来。因此，数十亿美元的资金持续投入到研发和制造中。以下是一家始终走在纳米技术前沿的公司。

IBM

IBM (IBM +0.23% ) IBM 于 1911 年以计算-制表-记录公司 (CTR) 的名称进入市场。为了体现当时不断发展的技术，该公司于 1924 年更名为国际商业机器公司 (IBM)。自成立以来，IBM 已成为全球最知名的公司之一。

这家庞大的企业集团是近年来一些重大创新的幕后推手。该公司总部位于纽约，业务遍及170个国家。值得注意的是，IBM 旗下的部门涵盖基础设施服务、软件、IT 服务和硬件。

IBM 仍然是生物技术领域的先驱。它已申请多项专利，并持续探索将该技术融入其产品的方法。那些正在寻找纳米技术领域久经考验的创新者的人，应该对 IBM 进行更多研究。

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手性扭转屈曲：开启更强大、更智能的材料时代

普通人或许永远不会理解手性结构对当今世界的重要性。然而，必须指出的是，参与这项研究的工程师们为进一步的应用和创新打开了大门。他们的辛勤工作带来了一些发现，这些发现必将有助于最大限度地利用这项技术。

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参考研究：

^{1. Fang, X.、Yu, D.、Wen, J.、Dai, Y.、Begley, MR、Gao, H. 和 Gumbsch, P. (2025)。 通过扭转屈曲实现手性超材料中大量可恢复的弹性能量自然，639，639–645。 https://doi.org/10.1038/s41586-025-08658-z}