发布时间：2024-07-12 15:33:11 栏目：精选百科
想象一下拉动一块矩形橡胶的长端。
它应该变得更窄、更薄。
但如果它变得更宽、更胖了会怎样呢?
现在，将这些末端推入。如果橡胶变得更窄更薄会怎样?
这种违背常识的材料确实存在。它们被称为膨胀材料，具有一系列独特的性质，非常适合制作运动鞋鞋垫、防弹建筑、汽车保险杠和服装。
尽管潜力巨大，但膨胀产品上市速度缓慢。美国国家标准与技术研究院 (NIST) 和芝加哥大学的研究人员希望改变这一现状。
在 NPJ Computational Materials上发表的一项新研究中，他们宣布开发了一种新工具，可以更轻松、更快速地设计具有膨胀特性的材料。该工具是一种算法，可以实现膨胀材料的精确三维设计。
“这对膨胀材料来说是一个巨大的进步，”NIST 材料研究工程师、研究合著者 Edwin Chan 表示。“我们实际上可以优化材料，使其具有您想要的任何特定机械性能和行为。”
弹性材料的行为部分由泊松比描述，它解释了材料在一个方向上拉伸或挤压时形状如何改变。
大多数材料的泊松比为正，这意味着在一个方向上挤压它们会使它们在另一个方向上变宽和/或变厚。拉伸它们会使它们变窄和/或变薄。
拉胀体的泊松比为负值，其作用恰恰相反。
冲压非膨胀材料时，材料会变薄并横向膨胀。冲压膨胀材料时，材料会聚拢并变窄。在适当的情况下，这可以提供更大的抗冲击能力。
例如，如果你击打一个装满水的袋子(就像你徒步旅行时携带的袋子一样)，里面的水会从冲击点流走。但是，如果你击打袋子时袋子里装满了膨胀泡沫，那么这种材料会变得更致密、更坚硬。
这是考虑在建筑物和汽车中使用膨胀胶的原因之一。它们有可能提供更好的防爆炸和防碰撞保护。在运动鞋鞋垫中，膨胀胶或橡胶泡沫可能在脚接触地面时更好地缓冲脚部。
在服装方面，膨胀尼龙、纤维和其他合成材料可能比传统材料更舒适。由于它们在拉伸时会变宽，因此它们可以更有效地将压力分散到身体各处，从而有可能减轻背部、关节、颈部或肩部的压力。 一项 关于在胸罩肩带中使用膨胀材料的研究发现，“膨胀聚酯和尼龙结构表现出了非凡的压力分散能力。”
由 NIST 和芝加哥大学科学家设计的设计工具是一种“逆向设计”算法，这意味着用户可以输入他们想要的膨胀材料泊松比值。然后该算法会为该材料提出一个优化的结构。
泊松比的另一种表达方式是，它描述了当其中一个发生变化时形状和体积之间的关系。新算法可以微调这种关系，以创建在自然界中找不到的行为方式的膨胀材料。
NIST 材料研究工程师 Marcos Reyes-Martinez 表示：“我们的研究是理论、实验和计算科学共同努力实现新事物的绝佳范例。找到一种让膨胀材料变得更好的方法将使它们在我们的日常生活中变得更加普遍。”
研究人员 为该算法 以及其底层方法和使用 3D 打印的实现申请了专利。
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