科學突破很少同時發生。通常情況下，它們的發展速度很慢，研究人員和工程師在多年的穩步進展的基礎上不斷發展，直到非凡的事情最終成為常態。
現在，科學家們正逐漸到達這一旅程的轉折點。密歇根大學和空軍研究實驗室 (AFRL) 的研究人員展示了一種 3D 打印複雜管狀結構的方法，其獨特的內部幾何形狀使其能夠抑制天然材料中從未見過的振動。這些創造物屬於一類被稱為機械超材料的工程物質，其特性完全源自設計而不是成分。
阻止或減少振動的能力對於從運輸到建築等許多行業都很有價值。小組研究結果發表於 應用物理審查他們依靠數十年的理論和計算機建模來創建現實世界的結構，可以被動地抑制穿過它們的振動。
“這才是真正的新穎之處。我們意識到：我們實際上可以做這些事情，”AFRL 研究員詹姆斯·麥金納尼 (James McInerney) 說。麥金納尼是密歇根大學的博士後研究員，他的同事是物理學教授毛曉明，毛曉明也是這項新研究的作者之一。
“我們希望這些能夠得到很好的利用。在這種情況下，它是隔振，”麥金納尼說。
該項目獲得了國防高級研究計劃局（DARPA）和海軍研究辦公室的部分資助，並得到了由美國國家科學、工程和醫學院管理的美國國家研究委員會研究助理計劃的支持。
貢獻者包括密西根大學機械工程副教授 Serife tol；德克薩斯大學的 Othman Oudghiri-Idrissi；還有 Afrl 的卡森·威利 (Carson Willy) 和阿比蓋爾·尤爾 (Abigail Juhl)。
“幾個世紀以來，人類通過改變化學成分來改進材料。我們的工作集中在超材料領域，是幾何學——而不是化學——創造了不尋常和有用的特性，”毛說。 “這些幾何原理可以從納米尺度應用到宏觀尺度，提供令人難以置信的穩健性。”
結構基礎
麥金納尼表示，這項研究涉及經典結構工程、現代物理學和3D打印等尖端製造工具。
“我們很有可能能夠以驚人的精度從頭開始製造材料，”他說。 “我們的願景是，我們將能夠創造出非常精確的建築材料，而我們要問的問題是，‘我們能用它做什麼？我們如何創造出與我們習慣的材料不同的新材料？’”
正如毛指出的那樣，該團隊並沒有改變材料的化學或分子組成。相反，他們正在探索如何在精細尺度上控制形狀和結構，從而獲得新的、有利的機械性能。
在自然界中，這種方法已經存在。例如，人體骨骼和浮游生物的外殼使用複雜的幾何形狀，通過簡單的材料獲得卓越的強度和彈性。借助 3D 打印等技術，科學家可以在金屬、聚合物和其他物質中重現和增強這種自然設計原理，以實現以前無法實現的效果。
“我們的想法並不是要取代鋼鐵和塑料，而是要更有效地使用它們，”麥金納尼說。
新學校與舊學校的相遇
雖然這部作品是基於現代創新，但它有重要的歷史基礎。一方面是 19 世紀的詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。這是20世紀著名物理學家的著作。麥金納尼說，雖然他最出名的是電磁學和熱力學方面的工作，但他也涉足力學，並提出了有用的設計考慮因素，通過創建稱為麥克斯韋晶格的重複子單元來創建穩定的結構。
新研究背後的另一個關鍵概念是20世紀。它出現在 20 世紀下半葉，當時物理學家發現材料邊緣和邊界附近發生了有趣且令人費解的行為。這催生了一個新的研究領域，稱為拓撲學，它仍然非常活躍，致力於解釋這些行為並幫助在現實世界中利用它們。
“十年前，這是一篇開創性的出版物，揭示了麥克斯韋晶格可以表現出拓撲相變，”麥金納尼說。
近年來，麥金納尼和同事探索了這項研究與隔振相關的意義。該團隊製作了一個模型來解釋這種行為以及如何設計一個可以顯示它的真實對象。該團隊現在通過使用 3D 打印尼龍製造此類物體，證明他們的模型仍處於最先進的階段。
快速瀏覽一下這些結構就會發現為什麼早期做到這一點是一個挑戰。它們看起來像一個鏈節，包裹在一個折疊的管子裡，內層和外層是相連的。物理學家將這些管子稱為“kagome”，指的是使用類似圖案的傳統日本籃子編織。
然而，麥金納尼表示，這只是實現這些結構潛力的第一步。例如，研究還表明，結構抑制振動的能力越強，其承受的重量就越小。他說，就申請而言，這是昂貴的，甚至是不可接受的，但它凸顯了基層仍然存在的有趣機會和問題。
隨著新結構的製造，科學家和工程師將需要建立新的標準和方法來測試、表徵和評估它們，這是令麥金納尼興奮的挑戰。
“因為我們有這樣的新行為，所以我們不僅要弄清楚模型，還要弄清楚我們進行測試的方式、我們從測試中得出的結論，以及我們如何將這些結論應用到設計過程中，”他說。 “我認為在我們開始回答有關申請的問題之前，需要誠實地回答這些問題。”
