荷兰科学家使用3D打印研究超材料的拓扑结构
在荷兰，有一群科学家正在忙着设计格子状的3D打印结构以用其测试一种独特的全新机械材料。这种材料能够在一些关键点上被操纵，有可能被用做框架的绝缘体。在一篇刚刚发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》的论文中，研究人员们描述了他们如何使用一些特定的点来“塑造”各种区域，这种结构是能够屈曲的，它们能够基于温度、压力或者由于一个系统出现的偏差的因素变形为另外的形状。这里所谓的系统，可以被认为是某些基础设施，或者像桥梁、大厦的施工区域。
这篇论文的题目是《拓扑超材料通过自应力的选择性屈曲（Selective Buckling via States of Self-stress in Topological Metamaterials）》。这种超材料的结构也是3D打印的，它展示了3D打印如何能够促进自我可持续性，在本文的这种情况下，这种结构能够变换拉力和压力来缓和应力或完全避免故障。通过研究人员的新型3D打印材料并根据其后续的设想，该结构将拥有内置的灵活性，可在外来因素的影响下最终保持强度和完整性，但是您光看是看不出来的。
“这些局部压曲区域的显著特征是，它们与周围的结构是混为一体无法区分的，甚至包括作为建筑要素的材料参数或者连接性而言。”研究人员Jayson Paulose、Anne S. Meeussen和Vincenzo Vitelli在他们的论文中称，“此外，它们对大范围的结构扰动具有很强的抗性。”也就是说，平时看不出来，当受到压力或其他因素影响的时候，这些结构区域就会表现出与众不同的性质，起到“隐形梁”或者其他功能的作用，如下图。
该项目是在莱顿大学（Leiden University）的拓扑力学实验室完成的，研究负责人为Vincenzo Vitelli。
“这个设计一开始基于一个总体的概念，你可以把它比喻成实体的“预感”。”合作者Paulose解释说，“将这些拓扑思想用在这些超材料设计上的主要优势在于拓扑材料肯定会在这些边界出现有趣的行为。”
科学家们此项研究的基础，是一种被称为“拓扑绝缘体”的新的物质状态，这种物质具有独特的属性，可以被用在机械工程和其他部门——比如医药。这也导致了科学家们要对根据这一理念3D打印的材料结构进行测试，看看机械载荷会受到什么样的影响.。
“我们原本预期在这个设计可以发挥作用之前会有一些反复的试错。但是，我们从3D打印公司拿回来的第一批实验样品一拿出来就表现的非常好。”Paulose说。
研究人员主要的关注点是机械载荷以及这些3D打印的超材料——其具有可获得的屈曲性能——可以如何用在传统和现有的结构和设备的改进上。
在使用“自应力的鲁棒状态（robust states）”来设计拓扑超材料中的屈曲区域中，研究人员使用了3D打印来验证他们的观点，并将其作为研究证据。他们使用一个3D打印的超材料结构非常简单和清楚地展示压缩如何会引起这些由特殊拓扑结构构成的“隐形梁”产生有利的屈曲，并再次用他们的3D模型指出了这些屈曲区域是无法用肉眼区分的，而且也不会颠覆一个结构的构建。
(责任编辑：admin)
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