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宏觀高分子：PAM的獨特拓撲設計

• 高分子鏈段在低應力下會滑動和重排，表現出粘彈性；
• 而在高應力下，鏈段可能產生結晶或緊密堆積，表現出更高的剛性。

  盡管PAM展現出了類似高分子的行為，它的拓撲設計和力學響應可以遠超傳統高分子：

  1.顆粒的可編程設計：PAM中的單元顆粒可以通過幾何設計實現多種形狀（環、籠或多面體），賦予材料更高的結構自由度。這種自由度在傳統高分子鏈段中很難實現。

  2.動態局部響應：與高分子鏈中受限的分子間作用力不同，PAM通過顆粒間的機械連接和滑動，能夠在局部區域實現獨立的粘彈性調控。

  3.跨越尺度的適應性：PAM的獨特行為從微米級到宏觀尺度保持一致，突破了高分子在分子尺度上受限的響應特性，提供了更廣泛的應用場景。

力學性能的物理探索：微觀結構與宏觀響應的橋梁

  PAM的設計提供了一個研究宏觀尺度上材料力學行為的新視角。

  熱力學分析表明，PAM的顆粒可以通過自組裝形成局部高度有序的聚集體，而這種自組裝依賴于相鄰單元的拓撲配置。進一步地，這一過程可以通過熵最大化理論來模擬。具體來說：

• PAM的局部排列可通過排除體積的幾何結構（即系統中其他分子無法進入的空間）和顆粒平均速度來預測。
• 不需要考慮顆粒間的直接相互作用，僅基于幾何和速度的熱力學關系即可估算PAM在特定應變下的局部堆積和有序狀態。

靜電響應與形態變換的潛力

• 精準性：通過靜電控制，PAM能夠從壓縮態迅速展開到張開態，過程耗時不到0.1秒。
• 潛在應用：這種動態響應特性特別適合航空航天領域的可展開結構，如輕量化太陽能帆和可控展開天線。同時，它還為生物醫學中的柔性設備提供了創新思路。

拓撲設計：從基礎科學到通用方法

• 通用性：通過顆粒間的機械連接，PAM為跨尺度設計提供了統一的拓撲框架，適用于從微米級到宏觀結構的多層次設計。
• 啟發性：這一方法論為其他材料體系（如高分子、顆粒材料和復雜流體）提供了新的建模思路，尤其在動態響應與自適應性領域。
• 跨學科潛力：拓撲設計結合機械性能調控，不僅推動了材料科學的發展，還可能對基礎物理學（如動力學和熵理論）產生深遠影響。

從PAM看高分子材料未來設計

• 局部應變誘導的性能差異，為新型復合材料設計帶來了靈感。
• 利用熵驅動的自組裝過程，實現更高效、更可控的材料組裝。
• 結合PAM的拓撲約束，設計更加智能化、適應性更強的材料，特別是在動態環境中的應用。

  PAM的出現為高分子科學注入了新的活力——它從“宏觀尺度的高分子”出發，重新定義了材料的性能與設計規則，也為設計更加智能、更加復雜的材料鋪平了道路。

作者簡介：

  周文杰，美國加州理工博士后。周文杰博士2016年于南開大學化學本科畢業，此后于2022年在美國西北大學獲得化學博士學位。2022年9月至今，在美國加州理工學院進行博士后研究。他博士期間在一些高影響力期刊已發表20余篇論文，其中以第一或者共同第一作者發表在Science，Nature，Nature Materials，Science Advances，PANS，Advanced Materials等刊物。他博士后正致力于研究機械超材料的自動化設計與制造（本文）及其作為用于航空航天、軟體機器人等研究和實踐的新一代技術。他曾獲得MRS研究生金獎，中國政府海外優秀學生獎，SPIE光學與光子學獎學金（SPIE Optics and Photonics Scholarship），國際納米技術研究院杰出研究獎（IIN Outstanding Researcher），國際貴金屬研究所明日之星獎（IPMI Bright Future Award），以及瑞安獎學金（Ryan Fellowship）等獎項。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9713

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