漫畫《海賊王》中，路飛的橡膠手臂能在拉伸后獲得巨大能量，在回彈瞬間捶飛對(duì)手。

現(xiàn)在，漫畫竟然變成了現(xiàn)實(shí)!科研人員已經(jīng)創(chuàng)造出一種超材料，將其拉伸到一定程度時(shí)，會(huì)激活儲(chǔ)存在材料里的能量，一松手，爆發(fā)力驚人?？蒲腥藛T還可以對(duì)這種材料編程，從而按需設(shè)計(jì)和控制超材料。

這種超材料的創(chuàng)造者，是哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)副教授梁旭東及其合作團(tuán)隊(duì)。近日，相關(guān)成果發(fā)表在美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》上。

論文評(píng)審專家認(rèn)為，“這項(xiàng)工作是高質(zhì)量的，并對(duì)力學(xué)超材料領(lǐng)域發(fā)展作出了創(chuàng)新的貢獻(xiàn)。”

超材料配方：磁鐵+橡膠

很多人小時(shí)候玩過(guò)橡皮筋，當(dāng)用力拉伸橡皮筋并突然松開時(shí)，它會(huì)瞬間彈出去。想象一下，現(xiàn)在有種超級(jí)橡皮筋，當(dāng)把它拉伸到某個(gè)節(jié)點(diǎn)再松手時(shí)，它會(huì)飛得超級(jí)遠(yuǎn)。

這個(gè)假想的超級(jí)橡皮筋是該團(tuán)隊(duì)正在創(chuàng)造的一種“磁—彈性力學(xué)超材料”。這個(gè)超材料有兩個(gè)主角：磁鐵和橡膠。

原本不相干的兩種材料，結(jié)合到一起會(huì)產(chǎn)生怎樣的“魔力”呢?

“我們用激光切割機(jī)把橡膠‘挖’出特定的孔洞結(jié)構(gòu)，在孔洞里嵌入磁鐵。當(dāng)拉伸該材料時(shí)，利用一種稱為‘相變’的物理特性，能吸收與釋放巨大的能量。”論文第一作者兼通訊作者梁旭東告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

當(dāng)材料從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另外一種狀態(tài)時(shí)，就會(huì)發(fā)生“相變”。比如固、液、氣3種狀態(tài)的變化就是非常典型的“相變”。當(dāng)冰融化成水，或水變成水蒸氣，就得吸收很多能量;而讓水凝固成冰，則要釋放很多能量。冰和水、水和水蒸氣，都是一種物質(zhì)的兩種“相”。

不過(guò)，上述這些“相變”一般發(fā)生在原子與分子尺度，想要捕捉和操控它們比較困難。

這項(xiàng)研究則在宏觀層面進(jìn)行，所選的材料并無(wú)過(guò)人之處。實(shí)驗(yàn)用的磁鐵直徑為3毫米，和橡膠一起，購(gòu)買于普通商店。正所謂“平凡鑄就偉大”，如此常見(jiàn)的材料，竟然創(chuàng)造出非凡的超能力。

“相變”正是超能力的核心，來(lái)自于兩種能量的疊加效應(yīng)。

梁旭東解釋道，磁鐵能相互吸引、排斥，嵌入橡膠后，相互吸引的磁鐵會(huì)讓孔洞閉合，相互排斥的磁鐵則讓孔洞打開，這是磁場(chǎng)的能量。用力拉伸橡膠時(shí)，橡膠本身會(huì)發(fā)生機(jī)械變形，儲(chǔ)存一些彈性能。把這兩種能量疊加，就會(huì)轉(zhuǎn)變成超材料的動(dòng)能，釋放出更強(qiáng)的爆發(fā)力。

從大自然中獲得靈感

“我們從一些能做出閃電般快速反應(yīng)的生物中獲得了靈感，比如捕蠅草能快速閉合，使飛蟲根本來(lái)不及逃脫。”論文共同通訊作者、美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校高分子系教授Alfred J. Crosby說(shuō)。

梁旭東用螳螂蝦舉例。“螳螂蝦是一種非常神奇的生物，它的前螯能在水底環(huán)境大阻力下，僅用0.01秒就加速到每秒30米的速度，像錘子一樣敲碎貝殼或擊退捕食者。”

這種短時(shí)間非常高速的爆發(fā)運(yùn)動(dòng)，是研究團(tuán)隊(duì)基于軟物質(zhì)在高速變形條件下的力學(xué)研究想要達(dá)到的實(shí)驗(yàn)效果。

剖析實(shí)驗(yàn)原理是為了更好掌控它，為將來(lái)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)改變?nèi)齻€(gè)方面就能控制“相變”——磁場(chǎng)、孔洞的排布和大小、橡膠材料的選擇。

為此，他們專門開發(fā)了一種可以對(duì)材料進(jìn)行編程的數(shù)學(xué)模型，從而按需設(shè)計(jì)和控制“相變”。“你可以制造想要的任何類型的‘相變’材料。”Crosby說(shuō)。

這大大拓寬了材料的應(yīng)用前景，比如與軟體機(jī)器人相結(jié)合。“我們?nèi)〉玫某晒梢杂脕?lái)制作軟體機(jī)器人的能量單元，通過(guò)儲(chǔ)存能量和輸出能量讓軟體機(jī)器人產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)，就像螳螂蝦的前螯一樣秒發(fā)猛力，瞬間敲除血栓。”梁旭東說(shuō)。

除了能量釋放方面的應(yīng)用，其也能在防護(hù)材料領(lǐng)域大有作為。

汽車制造商非常重視汽車防撞結(jié)構(gòu)的制作，當(dāng)汽車發(fā)生猛烈碰撞時(shí)，也可以通過(guò)超材料的“相變”原理來(lái)減緩沖擊、吸收能量，化解大部分沖擊能量，從而達(dá)到保護(hù)車內(nèi)乘客的目的。

這項(xiàng)“本領(lǐng)”還能用于制作新型安全頭盔，甚至航母的阻攔索工具。

學(xué)科交叉的“狂歡”

梁旭東2010年畢業(yè)于中山大學(xué)理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)，隨后保送到清華大學(xué)攻讀力學(xué)專業(yè)碩士研究生，2013年取得碩士學(xué)位。

隨后，他赴美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校求學(xué)，所學(xué)專業(yè)為機(jī)械工程。這時(shí)的梁旭東更多專注于固體力學(xué)，并未涉足在高速變形下的力學(xué)超材料研究。直到在美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校進(jìn)行博士后研究，他的研究視界一下子打開了。

評(píng)審專家在對(duì)比了前人利用磁鐵調(diào)控力學(xué)性能的工作后表示，“之前的研究并沒(méi)有呈現(xiàn)類似這篇文章的系統(tǒng)理論分析的深度”。

談及這項(xiàng)研究成功的“秘笈”，梁旭東認(rèn)為是學(xué)科交叉。從求學(xué)經(jīng)歷來(lái)看，一路走來(lái)，梁旭東的所學(xué)專業(yè)一直在發(fā)生變化。他逐漸意識(shí)到，只有打破學(xué)科間的桎梏，形成知識(shí)的匯聚，才能拓寬眼界與視野。

“學(xué)科交叉是科研工作中非常幸運(yùn)的一件事。”梁旭東說(shuō)，“不同學(xué)科、不同領(lǐng)域、不同思想碰撞出的火花，才是最絢爛的。學(xué)科交叉的‘狂歡’也是我做科研的啟發(fā)和驅(qū)動(dòng)力。”(記者 張晴丹)