结构化材料因其内部几何结构的设计而展现出独特的力学性能，在轻量化、高强度、负泊松比及非线性弹性变形等领域具有重要应用。然而，现有的结构化材料设计主要依赖刚性连接的桁架、板或壳状网络，其性能受限于周期性单元的构造，难以实现流体行为、多尺度调控及多功能响应。此外，颗粒晶体虽然具有几何硬化和非线性波传播等特性，但由于颗粒间缺乏粘结力，在无边界约束下无法抵抗拉伸应力，导致整体结构缺乏内聚力。为满足对多功能、高性能材料的需求，亟需探索能够在宏观与微观尺度上兼具流体特性与固体力学性能的新型结构化材料。这些材料应具有可调的运动自由度、刺激响应能力及能量吸收特性，以应对现有材料设计中在灵活性、稳定性和多样化应用方面的局限性。
近日，加州理工大学Wenjie Zhou，Xiaoxing Xia，Chiara Daraio团队在Science上发表了题为“3D polycatenated architected materials”的论文，本文提出了一类新型的多级联结构化材料（PAMs），通过三维网络中的离散环状或笼状颗粒实现多重拓扑联锁。研究构建了一个通用设计框架，将连续晶体网络转化为颗粒级联几何结构，显著扩展了三维结构化材料的设计空间。
图1、PAMs的设计策略 © 2025 AAAS Science
图2、重力诱导PAMs的松弛和单轴压缩 © 2025 AAAS Science
图3、PAMs的剪切流变学试验 © 2025 AAAS Science
图4、PAMs的尺度独立性及其静电驱动 © 2025 AAAS Science
本研究提出了一种全新的多级联结构化材料设计框架，为实现机械性能的精准调控提供了理论基础。这种材料能够在宏观与微观尺度上展现非牛顿流体行为与非线性弹性响应，为开发刺激响应材料、能量吸收系统和可变形结构提供了重要启示。研究证明了通过颗粒几何和拓扑结构的设计，可以实现材料在流体与固体行为之间的转换，以及对载荷响应的动态调节。这将推动多功能结构化材料的发展，对软体机器人、形状变换架构及高效能量管理领域产生深远影响，并具有广阔的应用潜力。
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