2025年首篇增材Science：3D打印更强大架构材料—PAMs！

近日，3D打印技术参考注意到2025年最新的Science期刊以封面形式发表了一篇题为“3D polycatenated architected materials”的文章，介绍了一种新型的架构材料——3D多联结构材料（Polycatenated Architected Materials, PAMs）。作者为中国学者周文杰，现为加州理工大学博士后。

3D打印技术在这一研究过程中发挥了关键作用，使得研究人员能够将设计转化为实际的物理模型，进而研究其独特的力学性能和潜在应用。

超越传统架构材料

传统的架构材料大多基于刚性连接的桁架、板或壳体结构，这些材料通过周期性重复的单元格或无序架构来实现特定的宏观性能。PAMs材料则由离散的环或笼状粒子在三维网络中相互锁定构成，在宏观和微观尺度上均表现出独特的力学性能和可设计性。这种设计不仅赋予了材料独特的力学性能，还使其在响应外部刺激时展现出可调控的变形能力。

PAMs典型设计流程：从指定粒子几何形状扩展生成复杂3D多链结构

研究团队提出了一个通用的设计框架，能够将任意晶体网络转化为粒子连接和几何形状，从而实现对PAMs的精确设计和制造。

研究方法

首先，从选定的晶体网络出发，识别节点对称性，并将其与具有相应对称性的粒子对齐。这些粒子与相邻粒子相互连接，复制原始网络的连接方式。利用晶体学对称性的庞大数据库，研究者可以将如Reticular Chemistry Structure Resource (RCSR)等数据库中的拓扑网络转化为多环联类似物。

实验设计与3D打印应用

为了制造这些设计好的PAMs，研究者采用了3D打印技术。他们使用一种脆性丙烯酸聚合物3D打印制造出N×N×N阵列的PAMs，其中N代表由一个或多个相互锁定的粒子组成的单元格数量。通过3D打印，研究者能够精确控制PAMs的几何形状和拓扑结构，从而研究其在不同加载条件下的力学响应。

力学性能测试

研究者对制造出的PAMs进行了力学性能测试，包括准静态单轴压缩测试、简单剪切测试和流变测试。测试结果显示，PAMs在小应变下表现出非牛顿流体的特性，既有剪切变稀也有剪切增稠的响应，这些特性可以通过其连接拓扑来控制。在大应变下，PAMs则表现出类似于晶格和泡沫的非线性应力-应变关系。此外，研究还发现PAMs在微观尺度上能够响应静电荷而改变形状，这一特性使其在刺激响应材料、能量吸收系统和变形建筑领域具有潜在应用价值。

引力诱导PAMS的松弛和单轴压缩

PAMS的剪切流变学试验

PAMS可编程临界干扰应变

PAMS的尺度独立性及其静电驱动

3D打印技术的关键作用

3D打印技术在PAMs的研究中起到了至关重要的作用。它不仅使得复杂的设计能够被精确地制造出来，还允许研究者在微观尺度上构建材料，以探索其在不同条件下的独特力学性能和响应行为。例如，通过双光子光刻结合后处理的氧等离子体刻蚀技术，研究者制造了微尺度的PAMs，这些PAMs在电静力作用下能够迅速且可逆地改变形状，展现出“可锁定”的三维形状变形行为。

结论与展望

PAMs作为一种新型的架构材料，其设计策略合理地将离散的、拓扑互锁的粒子映射到三维晶体网络上。它们在堵塞状态下的非线性弹性响应，以及在未堵塞状态下的非牛顿剪切变稀和剪切增稠行为，为需要适应性刚度和能量耗散的应用提供了一个多功能的力学平台。这种材料的行为高度依赖于其连接拓扑和粒子几何形状，这共同决定了粒子间的自由度。根据目标力学性能，不同的PAMs可以满足不同的角色需求。最后，对于结构应用，更硬的PAMs更具优势，这些PAMs最好由具有多边形或多面体粒子几何形状的J拓扑结构代表。

总的来说，本文为创造具有前所未有的力学性能和响应控制的架构材料奠定了基础。未来的研究可以关注这些材料对离散粒子断裂的韧性，以及它们的动态和波传播响应、非线性流变学、热学和光学特性，还可以研究构成材料和粒子涂层的最佳选择，以针对特定应用。

注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。