材料科學(xué)喜歡將自然和生物的特殊屬性作為模型。由美因茨約翰內(nèi)斯古騰堡大學(xué) (JGU) 的化學(xué)家 Andreas Walther 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組成功地賦予材料一種仿生特性：只需按一下按鈕，薄薄的硬納米紙就會(huì)立即變得柔軟和富有彈性。

“我們?yōu)檫@種材料配備了一種機(jī)制，這樣強(qiáng)度和剛度就可以通過(guò)電氣開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)，”沃爾特解釋說(shuō)。一旦施加電流，納米紙就會(huì)變軟;當(dāng)電流停止時(shí)，它重新獲得力量。例如，從應(yīng)用的角度來(lái)看，這種可切換性對(duì)于阻尼材料可能很有趣。這項(xiàng)工作還包括來(lái)自弗萊堡大學(xué)和由德國(guó)研究基金會(huì) (DFG) 資助的生活、適應(yīng)性和能源自主材料系統(tǒng)卓越集群 (livMatS) 的科學(xué)家，并發(fā)表在Nature Communications 上。

來(lái)自海底的靈感：機(jī)械開(kāi)關(guān)具有保護(hù)功能

這個(gè)案例中基于自然的靈感來(lái)自海參。這些海洋生物有一種特殊的防御機(jī)制：當(dāng)它們?cè)诤５讞⒌厥艿讲妒痴叩墓魰r(shí)，海參可以適應(yīng)并加強(qiáng)它們的組織，使它們?nèi)彳浀耐獗砹⒓醋冇病?ldquo;這是一種從根本上難以復(fù)制的適應(yīng)性機(jī)械行為，”Andreas Walther 教授說(shuō)。隨著他們的工作現(xiàn)已發(fā)表，他的團(tuán)隊(duì)成功地模仿了基本原理，使用一種有吸引力的材料和同樣有吸引力的開(kāi)關(guān)機(jī)制，以一種改良的形式。

科學(xué)家們使用從樹(shù)木細(xì)胞壁中提取和加工的纖維素納米纖維。納米原纖維甚至比標(biāo)準(zhǔn)紙中的微纖維還要細(xì)，形成一種完全透明、幾乎像玻璃一樣的紙。這種材料堅(jiān)硬而堅(jiān)固，對(duì)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)很有吸引力。其特性甚至可與鋁合金相媲美。在他們的工作中，研究團(tuán)隊(duì)將電力應(yīng)用于這些基于纖維素納米原纖維的納米紙。通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的分子變化，材料因此變得靈活。該過(guò)程是可逆的，可以通過(guò)開(kāi)/關(guān)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。

“這是非凡的。我們周圍的所有材料都不是很容易變化，它們不容易從僵硬變?yōu)閺椥?，反之亦然。在這里，借助電力，我們可以以簡(jiǎn)單而優(yōu)雅的方式做到這一點(diǎn)，”瓦爾特說(shuō). 因此，發(fā)展正在從經(jīng)典的靜態(tài)材料轉(zhuǎn)向具有可自適應(yīng)調(diào)整特性的材料。這與機(jī)械材料相關(guān)，因此可以使其更耐斷裂，或者與自適應(yīng)阻尼材料相關(guān)，例如在過(guò)載時(shí)可以從剛性轉(zhuǎn)變?yōu)槿犴樞浴?/p>

針對(duì)具有自身能量存儲(chǔ)的材料進(jìn)行自主開(kāi)/關(guān)切換

在分子水平上，該過(guò)程涉及通過(guò)施加電流加熱材料，從而可逆地破壞交聯(lián)點(diǎn)。材料軟化與施加的電壓相關(guān)，即電壓越高，破壞的交聯(lián)點(diǎn)越多，材料變得越軟。Andreas Walther 教授對(duì)未來(lái)的展望也從電源開(kāi)始：雖然目前需要電源來(lái)啟動(dòng)反應(yīng)，但下一個(gè)目標(biāo)是生產(chǎn)一種具有自身儲(chǔ)能系統(tǒng)的材料，因此反應(yīng)本質(zhì)上是例如，一旦發(fā)生過(guò)載并且需要阻尼時(shí)，就會(huì)立即“內(nèi)部”觸發(fā)。“現(xiàn)在我們?nèi)匀恍枰约簱軇?dòng)開(kāi)關(guān)，但我們的夢(mèng)想是讓材料系統(tǒng)能夠自己完成這項(xiàng)工作。”

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