加州理工学院的研究人员已经开发出一种新型材料PAM，它混合了固体和液体的特性，使其具有高度适应性，适用于各种应用。

这些材料的灵感来自于锁子甲，但由于先进的3D打印技术，结构复杂性达到了新的水平。

发现一种新材料

由Chiara Daraio教授领导的加州理工学院的研究人员已经开发出一种有趣的新型材料，根据施加的压力类型，它的行为既像固体又像液体。这种创新材料被称为PAM（多专利建筑材料的缩写），可以有广泛的应用，包括头盔、生物医学设备和机器人等防护装备。

虽然PAM不是自然产生的，但它们的概念受到了古代锁子甲的启发，锁子甲是由连接在一起的小金属环组成的，形成了灵活的盔甲。然而，PAMs将这个想法提升到了一个新的水平。它们不是简单的互锁环，而是由复杂的、相互连接的形状组成，排列成几乎无限的三维图案。这些独特的结构，由Daraio和她的团队使用3D打印技术创建，展示了不同于任何其他已知材料的特性。

从分子到宏观尺度

机械与土木工程博士后研究员周文杰（音译）在Daraio的实验室研究这类材料已有两年时间。“我是一名化学家，我想在分子尺度上制造这些结构，但事实证明这太具有挑战性了。为了得到关于这些结构如何表现的问题的答案，我决定加入Chiara的小组，在更大的范围内研究pam。”

Daraio的团队创造和研究的PAM首先是在计算机上建模的，旨在复制晶体物质中的晶格结构，但晶体的固定粒子被多层纠缠的环或笼所取代。

PAMs如何应对压力

然后使用各种材料，包括丙烯酸聚合物、尼龙和金属，将这些晶格三维打印出来。一旦PAM可以放在手掌上 —— 大多数原型都是5厘米（2英寸）的立方体或直径5厘米的球体 —— 它们就会受到各种各样的物理压力。“我们从压缩开始，”周解释说，“每次都把物体压缩得更紧一点。然后我们尝试了一个简单的剪切，一个横向力，就像你试图撕裂材料时所施加的那样。最后，我们做了流变学测试，看看材料对扭曲的反应，首先是缓慢的，然后是更快、更强的。”

在某些情况下，这些PAM表现得像液体。“想象一下对水施加剪应力，”周说。“不会有任何阻力。由于PAM具有所有这些协调的自由度，它们由环和笼组成，就像链的链接一样相互滑动，因此许多PAM具有很小的剪切阻力。”但当这些结构被压缩时，它们可能会变得完全刚性，表现得像固体一样。

PAMs：一种新型物质

这种活力使PAMs独一无二。“PAM确实是一种新型物质，”Daraio说。“当我们想到固体物质和颗粒物质时，我们都有一个明确的区别。固体材料通常被描述为晶体晶格。这就是你在原子、化学或更大的晶体结构的经典球棒模型中看到的。正是这些物质形成了我们对固体物质的传统理解。另一类材料是颗粒状的，就像我们在大米、面粉或磨碎的咖啡中看到的那样。这些材料由离散的粒子组成，彼此之间可以自由移动和滑动。”

PAM违背了这种二元分类。Daraio解释说：“使用PAM，单个粒子就像它们在晶体结构中一样连接在一起，然而，因为这些粒子可以自由地相互移动，它们流动，它们在彼此的顶部滑动，它们改变它们的相对位置，更像沙粒。”“PAM可能彼此非常不同。你可以用柔软的材料或坚硬的材料打印它们。你可以改变每个粒子的形状，也可以改变用来连接这些粒子的晶格。这些参数中的每一个都会影响所得材料的性能。但它们都表现出流体和固体行为之间的特征转变。这种转变可能会在不同的情况下发生，但它总是会发生。”

PAMs的光明未来

“在过去的20到30年里，建筑材料一直是材料科学和工程领域的一个重要分支，”Daraio说。“但作为颗粒材料和弹性可变形材料的混合体，PAM是令人兴奋的新材料。我们有描述颗粒物质的理论和描述弹性可变形物质的理论，但没有一个能描述这些介于两者之间的物质。这是一个迷人的前沿，有望重新定义材料是什么以及它们的行为方式。”

在这一点上，PAM的潜在用途在很大程度上是推测性的，但仍然很有趣，Daraio说：“这些材料具有独特的能量吸收特性。因为每个元素都可以滑动、旋转和相互重组，所以它们可以非常有效地消耗能量，”使它们比目前使用的泡沫更适合用于头盔或其他形式的防护装备。这种特性使它们在包装或任何需要缓冲或稳定的环境中同样具有吸引力。

微尺度PAM的实验表明，它们会随着施加的电荷和物理力而膨胀或收缩，这表明它们可能用于生物医学设备或软机器人。

论文合著者Liuchi Li（20届博士）现在是普林斯顿大学土木与环境工程助理教授，他对PAM的未来充满热情：“我们可以设想结合先进的人工智能技术来加速对这一广阔设计空间的探索。我们只是触及了可能性的表面。”

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