古典小说《西游记》中,孙悟空的如意金箍棒有变大变小的神奇功能,从材料角度即是能随意变化其体积。而在现代科学世界,透过超构材料(Metamaterial,又称超材料)领域的探索,中文大学物理系教授徐磊及其团队亦有相当大的突破,不单成功提出崭新调控材料弹性的理论,更以此设计出弹性随心所欲的材料,借其网络组成结构的细微改变,做到「想软就软,想硬就硬」!
团队目前透过3D打印实验室制造出多款可自由调节弹性的新型弹性材料,未来将利用人工智能的机器学习理论,进一步调节有关参数,期望日后于工业、建筑及防震材料上有广阔的应用前景。
徐磊日前接受香港文汇报专访,分享其有关弹性超构材料的研究成果。他表示,物料的弹性主要是看其压缩模量(受到挤压)及剪切模量(受平行剪切的力),调节弹性的关键之处在于如何调控这两个模量。普遍来说,固体的两种模量比例较为固定,剪切模量大、压缩模量也很大,可以说同大同小,无法调节。
其团队的目标,便是建构一个功能强大的系统结构,能随心意调节这两个模量,成为新型智能弹性材料。团队透过设计独特的立体网络结构,探索网络的空间及几何变化,对整个结构的力学弹性有何影响,并首次在理论上发现「拓扑转变」的增减与材料弹性性质的紧密联系,进而做到材料弹性「随心所欲」。
徐磊解释说,团队利用立体结构中构建三角锥的数目等,调节压缩模量或剪切模量的数值,使其一大一小进行调节材料的弹性。当材料中三角锥较少,就可以调节剪切模量或压缩模量,有较大的空间调节材料的弹性,而如将结构全部变成由三角锥构造,成为一个完全三角化的体力结构,该材料很像晶体、固体结构的性质,剪切模量及压缩模量是一个固定的数值,无法调节。
改变拓扑链接 同时变硬变软
至于「拓扑转变」,则涉及抽象的数学概念。简单来说,在空间之中,拓扑变量是由点线面的关系组成的,一个平面如果钻一个洞它的拓扑就会改变,三角锥的拓扑就是从某个顶点的高线突破了垂直的面。徐磊指,透过改变拓扑链接,就像一个「锁头」,将剪切模量和压缩模量锁定在想要的数值,令两种模量同时变硬、同时变软。不仅可以最大限度地自由调节材料的弹性,而且用任何材料构建只要达到设定的结构都可以百变随心,就像「万精油」一样的结构系统。
至于最新发展,徐磊指,在搭建该超构材料系统时,非常多的链接构件,以往只能一个一个地试,但牵一发而动全身,经过可能成百上千的实验才成功。因此,团队利用AI机器学习的方法,在设计新结构、新功能的时候,找到最优解同时亦找到最有效的链接调节模量。
在防冲击防震有重大潜力
徐磊表示,团队目前已经成功有效调节弹性超构材料的泊松比(Poisson’s ratio),设计出在垂直方向受挤压之时,水平方向亦会收缩的特殊材料,预计未来会进一步透过机器学习就不同参数作调节及尝试。
应用方面,他举例指,因为构建的超构材料可自由调节弹性,故在包括建筑与汽车的防冲击、防震方面有重大潜力,特别是上述垂直及水平方向同时收缩的特殊材料,在愈受挤压时会愈加结实,提供了自然物料所欠缺的保护力。
●香港文汇报记者 郭虹宇、任智鹏