天津大学新型超材料攻克热胀冷缩难题

天津大学新型超材料攻克热胀冷缩难题

热胀冷缩是自然界中普遍存在的物理现象，从电线架设到轮胎充气，从水管防冻到温度计设计，这一特性在我们的生活中无处不在。然而，这种自然规律有时也会带来困扰，特别是在精密工程领域，微小的热胀冷缩都可能导致重大问题。近日，天津大学的一项突破性研究为解决这一难题提供了新的可能。

这项研究的主角是天津大学机械工程学院陈焱教授团队。他们联合英国索尔福德大学魏国武教授和牛津大学由衷教授，设计出一系列三维热膨胀超材料。这些超材料通过特殊拓扑分布突破自然规律限制，实现了“冷胀热缩”甚至“零胀零缩”，解决了传统材料因温度变化导致的大变形问题。

这一突破的灵感竟然来自古老的折纸艺术。折纸工程学将折纸的原理应用于工程设计，通过复杂的几何结构实现特殊的功能。陈焱教授团队正是利用这种思路，设计出了具有逆向热膨胀特性的超材料。

这种新型超材料采用了独特的3D平铺拉胀结构。如图所示，其基本单元由多个相互连接的八面体和立方八面体组成。通过精确控制键通道的方向和位置，以及键对和通道对之间接触面的摩擦特性，研究人员成功实现了各向同性设计。

这种设计的巧妙之处在于，它不仅能够实现逆向热膨胀，还具有高弹性和机械迟滞特性。在循环载荷下，结构能够完全恢复到原始构型，同时在变形过程中具有非常高的能量耗散能力。

这种新型超材料的出现，为解决热胀冷缩问题提供了全新的解决方案。在航空航天领域，它可以用于制造能够在极端温度条件下稳定工作的卫星部件；在精密仪器制造中，可以避免温度变化带来的测量误差；在建筑领域，可以设计出更加稳定的结构，减少温度变化对建筑物的影响。

更令人兴奋的是，这种材料还可以应用于软机器人、生物医学材料等领域。通过与智能材料驱动器结合，可以开发出能够根据环境自适应改变运动方式的多模式机器人。

天津大学这项研究成果的发表在国际期刊《先进材料》上，标志着我国在超材料研究领域再次取得重要突破。这种新型热膨胀超材料不仅解决了困扰工程界的难题，更为未来科技发展开辟了新的可能性。正如折纸艺术能够创造出无限的形态，这种基于折纸原理的超材料也将为人类带来更多惊喜。