漫畫《海賊王》中，路飛的橡膠手臂能在拉伸后獲得巨大能量，在回彈瞬間捶飛對手。
現在，漫畫竟然變成了現實！科研人員已經創造出一種超材料，將其拉伸到一定程度時，會激活儲存在材料里的能量，一松手，爆發力驚人。科研人員還可以對這種材料編程，從而按需設計和控制超材料。
這種超材料的創造者，是哈爾濱工業大學（深圳）副教授梁旭東及其合作團隊。近日，相關成果發表在美國《國家科學院院刊》上。
論文評審專家認為，“這項工作是高質量的，并對力學超材料領域發展作出了創新的貢獻。”
超材料配方：磁鐵+橡膠
很多人小時候玩過橡皮筋，當用力拉伸橡皮筋并突然松開時，它會瞬間彈出去。想象一下，現在有種超級橡皮筋，當把它拉伸到某個節點再松手時，它會飛得超級遠。
這個假想的超級橡皮筋是該團隊正在創造的一種“磁—彈性力學超材料”。這個超材料有兩個主角：磁鐵和橡膠。
原本不相干的兩種材料，結合到一起會產生怎樣的“魔力”呢？
“我們用激光切割機把橡膠‘挖’出特定的孔洞結構，在孔洞里嵌入磁鐵。當拉伸該材料時，利用一種稱為‘相變’的物理特性，能吸收與釋放巨大的能量。”論文第一作者兼通訊作者梁旭東告訴《中國科學報》。
當材料從一種狀態轉變到另外一種狀態時，就會發生“相變”。比如固、液、氣3種狀態的變化就是非常典型的“相變”。當冰融化成水，或水變成水蒸氣，就得吸收很多能量；而讓水凝固成冰，則要釋放很多能量。冰和水、水和水蒸氣，都是一種物質的兩種“相”。
不過，上述這些“相變”一般發生在原子與分子尺度，想要捕捉和操控它們比較困難。
這項研究則在宏觀層面進行，所選的材料并無過人之處。實驗用的磁鐵直徑為3毫米，和橡膠一起，購買于普通商店。正所謂“平凡鑄就偉大”，如此常見的材料，竟然創造出非凡的超能力。
“相變”正是超能力的核心，來自于兩種能量的疊加效應。
梁旭東解釋道，磁鐵能相互吸引、排斥，嵌入橡膠后，相互吸引的磁鐵會讓孔洞閉合，相互排斥的磁鐵則讓孔洞打開，這是磁場的能量。用力拉伸橡膠時，橡膠本身會發生機械變形，儲存一些彈性能。把這兩種能量疊加，就會轉變成超材料的動能，釋放出更強的爆發力。
從大自然中獲得靈感
“我們從一些能做出閃電般快速反應的生物中獲得了靈感，比如捕蠅草能快速閉合，使飛蟲根本來不及逃脫。”論文共同通訊作者、美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校高分子系教授Alfred J. Crosby說。
梁旭東用螳螂蝦舉例。“螳螂蝦是一種非常神奇的生物，它的前螯能在水底環境大阻力下，僅用0.01秒就加速到每秒30米的速度，像錘子一樣敲碎貝殼或擊退捕食者。”
這種短時間非常高速的爆發運動，是研究團隊基于軟物質在高速變形條件下的力學研究想要達到的實驗效果。
剖析實驗原理是為了更好掌控它，為將來的應用奠定基礎。經過反復實驗，他們發現改變三個方面就能控制“相變”——磁場、孔洞的排布和大小、橡膠材料的選擇。
為此，他們專門開發了一種可以對材料進行編程的數學模型，從而按需設計和控制“相變”。“你可以制造想要的任何類型的‘相變’材料。”Crosby說。
這大大拓寬了材料的應用前景，比如與軟體機器人相結合。“我們取得的成果可以用來制作軟體機器人的能量單元，通過儲存能量和輸出能量讓軟體機器人產生高速運動，就像螳螂蝦的前螯一樣秒發猛力，瞬間敲除血栓。”梁旭東說。
除了能量釋放方面的應用，其也能在防護材料領域大有作為。
汽車制造商非常重視汽車防撞結構的制作，當汽車發生猛烈碰撞時，也可以通過超材料的“相變”原理來減緩沖擊、吸收能量，化解大部分沖擊能量，從而達到保護車內乘客的目的。
這項“本領”還能用于制作新型安全頭盔，甚至航母的阻攔索工具。
學科交叉的“狂歡”
梁旭東2010年畢業于中山大學理論與應用力學專業，隨后保送到清華大學攻讀力學專業碩士研究生，2013年取得碩士學位。
隨后，他赴美國加利福尼亞大學圣地亞哥分校求學，所學專業為機械工程。這時的梁旭東更多專注于固體力學，并未涉足在高速變形下的力學超材料研究。直到在美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校進行博士后研究，他的研究視界一下子打開了。
評審專家在對比了前人利用磁鐵調控力學性能的工作后表示，“之前的研究并沒有呈現類似這篇文章的系統理論分析的深度”。
談及這項研究成功的“秘笈”，梁旭東認為是學科交叉。從求學經歷來看，一路走來，梁旭東的所學專業一直在發生變化。他逐漸意識到，只有打破學科間的桎梏，形成知識的匯聚，才能拓寬眼界與視野。
“學科交叉是科研工作中非常幸運的一件事。”梁旭東說，“不同學科、不同領域、不同思想碰撞出的火花，才是最絢爛的。學科交叉的‘狂歡’也是我做科研的啟發和驅動力。”
記者 張晴丹
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