比人的头发还小的结使材料异常坚韧

在纳米和微结构材料的最新进展中，加州理工学院的工程师开发了一种由许多相互连接的微型结制成的新材料。

结使材料比结构相同但未打结的材料坚韧得多：它们吸收更多能量并且能够变形更多，同时仍然能够完好无损地恢复到原来的形状。这些新型打结材料由于其耐用性、可能的生物相容性和极强的变形能力，可能会在生物医学和航空航天应用中得到应用。

前加州理工学院毕业生说：“克服材料可变形性和拉伸韧性[被拉伸而不断裂的能力]之间的一般权衡的能力提供了设计极其灵活、耐用且可在极端条件下运行的设备的新方法。”学生WidiantoP.Moestopo，现在在劳伦斯利弗莫尔国家实验室。Moestopo是3月8日在ScienceAdvances上发表的一篇关于纳米结的论文的主要作者。

Moestopo在JuliaR.Greer的实验室帮助开发了材料科学、力学和医学工程的RubenF.andDonnaMettler教授;弗莱彻·琼斯基金会Kavli纳米科学研究所所长;和该论文的高级作者。格里尔处于创造这种纳米结构材料的最前沿，这些材料的结构是在纳米尺度上设计和组织的，因此表现出不寻常的，通常是令人惊讶的特性。

“着手了解结如何影响微结构材料的机械响应是一个新的开箱即用的想法，”格里尔说。“我们对研究许多其他类型的微型纺织品的机械变形进行了广泛的研究，例如格子和编织材料。进入结的世界使我们能够更深入地了解摩擦和能量耗散的作用，并且事实证明是有意义的。”

每个结的高度和宽度约为70微米，每根纤维的半径约为1.7微米(约为人类头发半径的百分之一)。虽然这些并不是有史以来最小的结——2017年，化学家们打了一个由单根原子链制成的结——这确实代表了第一次由如此规模的无数结组成的材料被创造出来。此外，它还展示了在材料中包含这些纳米级结的潜在价值——例如，用于生物医学中的缝合或系绳。

由聚合物制成的打结材料表现出的拉伸韧性远远超过未打结但结构相同的材料，包括单股交织而不是打结的材料。与未打结的材料相比，打结材料吸收的能量多92%，拉动时需要两倍以上的应变才能折断。

结不是打结的，而是通过使用能够产生纳米级结构的先进高分辨率3D光刻技术以打结状态制造的。ScienceAdvances论文中详述的样本包含简单的结——一种带有额外扭曲的反手结，可在材料拉伸时提供额外的摩擦力以吸收额外的能量。未来，该团队计划探索由更复杂的结构成的材料。

Moestopo对结的兴趣源于他在2020年COVID-19封锁期间进行的研究。“我看到一些研究人员的作品，他们正在研究物理结的力学，而不是纯粹数学意义上的结。我不认为自己是登山者、水手或数学家，但我一生都在打结，所以我认为尝试在我的设计中加入结是值得的，”他说。

这篇论文有一个半开玩笑的标题——“KnotsareNotforNaught:Design,Properties,andTopologyofHierarchicalIntertwinedMicroarchitectedMaterials”。海军研究。

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