格拉斯哥大学开发新型自感知材料 更坚韧、更牢固、更智能

据外媒报道，由格拉斯哥大学（University of Glasgow）工程师领导的国际团队以天然材料的细胞结构为灵感，开发了一种新型轻质3D打印智能建构化材料（smart architected material），能够感应到自身的结构变化。

（图片来源：格拉斯哥大学）

该团队将一种常见的工业塑料与碳纳米管混合，创造出一种比同类传统材料更坚韧、更牢固、更智能的材料。这种塑料原本不导电，但受益于纳米管，可在整个结构中携带电荷。当该结构承受机械载荷时，其电阻会发生变化。这种现象称为“压电电阻率”（piezoresitivity），使材料能够“感知”自身的结构健康状况。此外，研究人员利用先进的3D打印技术，创建了一系列复杂的中尺度多孔结构设计，有助于减轻整体重量，并充分提升机械性能。

这种蜂窝状材料的设计灵感，类似自然界中轻且坚固的多孔材料，如蜂巢、海绵和骨头。研究人员认为，这种材料可应用于医学、假肢、汽车和航空航天设计等领域。这些领域需要密度低、坚韧、具有自感应能力的材料。

研究人员探讨三种不同的纳米工程设计，以测试其能量吸收和自感应特性。这些设计利用定制材料（由聚丙烯无规共聚物和多壁碳纳米管制成）打印而成。研究人员经过测试发现，综合考虑机械性能和自感应能力，其中一种立方体形状的“板格”（其中包含紧密排列的平板）表现最出色。这种晶格结构在受到单调压缩时，具有与相同相对密度的泡沫镍相似的能量吸收能力，其性能也优于其他一些相同密度的传统材料。

这项研究由格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的Shanmugam Kumar博士、剑桥大学的Vikram Deshpande教授和麻省理工学院的Brian Wardle教授共同领导。

Shanmugam Kumar博士表示：“在如何平衡性能和结构以创造高性能轻质材料方面，大自然能够给予工程师很多启示。研究人员从中获得了开发这种新型蜂窝状材料的灵感。与传统制造的同类材料相比，这种材料具有独特的优势，可以通过微调操控其物理性能。”

“研究人员选择的聚丙烯无规共聚物，具有更好的可加工性、耐温性、产品一致性和抗冲击强度。碳纳米管提供导电性，同时使其在机械上更牢固。在设计中可以选择孔隙度的大小，构建多孔几何形状，从而提高质量比力学性能。

“像这样的轻质、更加坚韧、自感应材料，具有很大的实际应用潜力。例如，有助于制造更轻、更高效的车身；或者为患有脊柱侧弯等疾病的人制造背部支架，以感知病人的身体是否得到最佳支持；甚至可以用来制造新型电池电极。”

这篇研究论文题为“通过增材制造实现纳米工程自感知晶格的多功能性”（Multifunctionality of nanoengineered self-sensing lattices enabled by additive manufacturing），发表在《先进工程材料》（Advanced Engineering Materials）杂志上。

关键词： 格拉斯哥大学 天然材料 细胞结构 3D打印智能建构化材料