推广

科学家发明了能够吸收和释放惊人能量的新材料

iseeyu2年前 (2024-11-22)推广108

马萨诸塞大学阿默斯特分校的一个研究小组最近在《美国国家科学院院刊》上宣布，他们已经设计出一种新的类似橡胶的固体物质，它具有令人惊讶的品质，可以吸收和释放非常大量的能量，不仅如此，它还是可编程的。

嵌入磁铁的弹性材料，其两极分别以红色和蓝色标示。将磁铁放在不同的方向上会改变超材料的反应。

综合来看，这种新材料在一系列非常广泛的应用中有着巨大的前景，从使机器人在不使用额外能量的情况下拥有更多的动力，到可以更快地消散能量的新头盔和防护材料。

"想象一下一个橡皮筋，"阿默斯特大学聚合物科学和工程教授、该论文的资深作者Alfred Crosby说。"你把它拉回来，当你放开它的时候，它就会飞过房间。现在想象一个超级橡皮筋。当你把它拉过某个点时，你激活了储存在材料中的额外能量。当你放开这根橡皮筋时，它可以飞出很远。"

这种假设的橡皮筋是由一种新的超材料制成的--一种被设计成具有自然发生的材料中所没有的特性的物质--它将一种有弹性的、类似橡胶的物质与嵌入其中的微小磁铁结合在一起。这种新的"弹性磁性"材料利用了一种被称为相移的物理特性，极大地放大了该材料所能释放或吸收的能量。

当一种材料从一种状态移动到另一种状态时就会发生相移：我们可以想象一下水变成蒸汽或液体混凝土硬化成人行道。每当一种材料发生相位转移时，能量就会被释放或吸收。而且，相变并不仅仅局限于液态、固态和气态之间的变化--相变可以从一个固相发生到另一个固相。释放能量的相变可以作为一种动力源加以利用，但获得足够的能量一直是困难的部分。

Crosby说："为了放大能量的释放或吸收，你必须在分子或甚至原子层面上设计一个新的结构。然而，这是很有挑战性的，甚至更难以可预测的方式进行。但通过使用超材料，我们已经克服了这些挑战，不仅制造了新材料，而且还开发了设计算法，使这些材料能够被编程为特定的反应，使其具有可预测性。"

该团队从自然界中看到的一些闪电般的反应中获得了灵感：例如捕蝇草的快速关闭所用的时间让飞虫根本没有时间逃脱。论文的主要作者Liang Xudong说："我们已经把它带到了一个新的水平，"他目前是中国深圳哈尔滨工业大学（HITSZ）的教授，在UMass Amherst做博士后时完成了这项研究。"通过在弹性材料中嵌入微小的磁铁，我们可以控制这种超材料的相变。而且，由于相位转换是可预测和可重复的，我们可以设计超材料，使其准确地做我们想要做的事情：要么吸收巨大冲击的能量，要么释放大量的能量进行爆发性的运动。"