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科學家發明了能夠吸收和釋放驚人能量的新材料 還是可編程的

時間:2022-02-07 16:54:00 來源: cnBeta


馬薩諸塞大學阿默斯特分校的一個研究小組最在《美國國家科學院院刊》上宣布,他們已經設計出一種新的類似橡膠的固體物質,它具有令人驚訝的品質,可以吸收和釋放非常大量的能量,不僅如此,它還是可編程的。

嵌入磁鐵的彈材料,其兩極分別以紅色和藍色標示。將磁鐵放在不同的方向上會改變超材料的反應。

綜合來看,這種新材料在一系列非常廣泛的應用中有著巨大的前景,從使機器人在不使用額外能量的情況下擁有更多的動力,到可以更快地消散能量的新頭盔和防護材料。

"想象一下一個橡皮筋,"阿默斯特大學聚合物科學和工程教授、該論文的資深作者Alfred Crosby說。"你把它拉回來,當你放開它的時候,它就會飛過房間。現在想象一個超級橡皮筋。當你把它拉過某個點時,你激活了儲存在材料中的額外能量。當你放開這根橡皮筋時,它可以飛出很遠。"

這種假設的橡皮筋是由一種新的超材料制成的--一種被設計成具有自然發生的材料中所沒有的特的物質--它將一種有彈的、類似橡膠的物質與嵌入其中的微小磁鐵結合在一起。這種新的"彈"材料利用了一種被稱為相移的物理特,極大地放大了該材料所能釋放或吸收的能量。

當一種材料從一種狀態移動到另一種狀態時就會發生相移:我們可以想象一下水變成蒸汽或液體混凝土硬化成人行道。每當一種材料發生相位轉移時,能量就會被釋放或吸收。而且,相變并不僅僅局限于液態、固態和氣態之間的變化--相變可以從一個固相發生到另一個固相。釋放能量的相變可以作為一種動力源加以利用,但獲得足夠的能量一直是困難的部分。

Crosby說:"為了放大能量的釋放或吸收,你必須在分子或甚至原子層面上設計一個新的結構。然而,這是很有挑戰的,甚至更難以可預測的方式進行。但通過使用超材料,我們已經克服了這些挑戰,不僅制造了新材料,而且還開發了設計算法,使這些材料能夠被編程為特定的反應,使其具有可預測。"

該團隊從自然界中看到的一些閃電般的反應中獲得了靈感:例如捕蠅草的快速關閉所用的時間讓飛蟲根本沒有時間逃脫。論文的主要作者Liang Xudong說:"我們已經把它帶到了一個新的水,"他目前是中國深圳哈爾濱工業大學(HITSZ)的教授,在UMass Amherst做博士后時完成了這項研究。"通過在彈材料中嵌入微小的磁鐵,我們可以控制這種超材料的相變。而且,由于相位轉換是可預測和可重復的,我們可以設計超材料,使其準確地做我們想要做的事情:要么吸收巨大沖擊的能量,要么釋放大量的能量進行爆發的運動。"


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