物質的邊界在哪里？本周，《Science》封面帶來了一個意想不到的答案：一種既像流體又像固體的新型材料。加州理工學院的研究團隊用“鏈甲”的理念重塑了材料科學，創造了一種全新3D鏈狀結構材料——PAM（Polycatenated Architected Material，多鏈連接結構化材料）。這種材料能在應力下自由切換物理狀態，既可以像液體一樣流動，又能在壓力下變得堅硬如固體。這一發現徹底顛覆了我們對晶體和顆粒材料的傳統認知。
鏈甲，但3D版。
中世紀的鏈甲通過金屬環的連接為士兵提供靈活的保護。而PAM正是受這一概念啟發，將環形或籠狀顆?；ハ嘟豢?，構建出穩定的三維結構。但PAM不僅停留在二維平面的“升級”，它獨特的第三維度打開了結構設計的無限可能：單元可以是多面體、環簇或籠狀結構，通過不同幾何形狀的創新組合，帶來了更多復雜且可控的力學特性。研究團隊用高精度3D打印技術制造PAM，使用了acrylic（丙烯酸樹脂）、尼龍和金屬等材料。尤其值得一提的是，PAM的力學性能不依賴于材料本身，而是來源于其獨特的幾何結構設計——這是對材料科學設計理念的一次重要拓展。
- 在剪切應力下，PAM的顆粒滑動，表現得如同“蜂蜜”一般，流動自如。
- 在壓縮應力下，這些顆粒則被擠壓得緊密排列，“鎖住”整個結構，變得像晶體般堅固。
更令人驚訝的是，PAM的行為并不止于此。它是一種獨特的非牛頓流體，在不同應力條件下展現出剪切變稀和剪切增稠的雙重特性。
- 變?。壕徛┘蛹羟辛r，材料內部顆粒滑動順暢，流動性增強。
- 增稠：快速剪切時，內部結構相互鎖定，材料變得粘稠甚至堅硬。
這種“可編程”的動力學行為跨越了微觀和宏觀尺度，展現了PAM在材料響應領域的強大適應性和設計潛力。PAM的設計框架極具普適性。研究團隊從晶體結構的拓撲設計出發，將其轉化為三維多鏈網絡，通過改變顆粒的幾何形狀與連接方式，達成對材料力學性質的精準調控。這讓人想起了網狀化學（Reticular Chemistry）在多孔材料領域的開創性突破。網狀化學通過節點和連接單元的化學設計構建了MOFs（金屬有機框架），開辟了“自下而上”設計材料的新篇章。而PAM則結合機械鍵，把這一理念帶入力學領域，基于幾何單元和拓撲連接重構材料的設計邏輯，為架構材料領域提供了一個通用、可擴展的理論基礎。PAM的普適性使其成為跨學科創新的理想平臺——從智能材料到形變裝置，這一體系可能帶來一場革命。研究還發現，PAM在微觀尺度下的性能同樣驚艷。當受到靜電刺激時，PAM能夠克服重力，快速實現形態變換（shape morphing）。
在不到0.1秒的時間內，靜電力促使PAM迅速展開或收縮，完成從壓縮態到張開態的切換。這一特性在航空航天領域展現出獨特價值，例如可控展開天線和輕量化太陽能帆，都可以借助PAM實現高效部署與精準控制。
第一與通訊作者周文杰博士的學術旅程為這一跨學科創新提供了重要背景。他在美國西北大學讀博期間師從諾貝爾化學獎得主Fraser Stoddart教授，研究如何通過幾何設計控制納米顆粒的自組裝。他的博士工作一作發表在Science、Nature、Nature Materials等頂刊，成功構建了DNA編碼的準晶超結構和新型膠體晶體。但他并不滿足于納米尺度的局限性。在Daraio教授的實驗室，周文杰用兩年的時間跨界機械工程，創建了架構材料領域的全新方向。他表示：“機械鍵的概念已經在分子化學中取得了非凡成果，但我想把這種連接邏輯帶到更大的尺度中，連接化學和力學，設計出新的材料體系?！?/span>PAM的潛力正在不斷被挖掘。研究團隊計劃利用人工智能算法加速PAM設計優化，并探索其在智能系統中的實際應用。從可變形軟體機器人到智能能量吸收裝置，PAM的出現或將定義下一代智能材料的標準。W. Zhou et al., 3D polycatenated architected materials. Science 387, 269 (2025).DOI: 10.1126/science.adr9713https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9713
