专访 | 受2000多年前的古建筑启发 吕坚教授团队打造出既强又韧的超材料

对于结构材料，强度和延展性往往是“鱼和熊掌不可兼得”。而这一次，吕坚教授团队从古建筑结构中找到了“兼得”的灵感。

万神殿是至今完整保存的唯一一座罗马帝国时期建筑，始建于公元前27-25年。这座神殿最为人之赞叹的是它无法逾越的穹顶。米开朗基罗宣称这是：「天使所成，而非人为的设计」。

受2000多年前的建筑启发，香港城市大学吕坚团队设计了具有梯度螺旋的穹顶机械超材料，首次结合“超纳双相玻璃晶体”金属涂层，得到的层级结构以其超轻、超高强度和良好的延展性的独特组合特性，扩展了材料特性的空间范围。相关研究结果以题为“The twisting of dome-like metamaterial from brittle to ductile”发表在《Advanced Science》（IF=15.84）上。

何为穹顶机械超材料？

据论文第一作者成励子介绍，结构超材料可以表现出传统块体材料所不具备的机械性能。通过将特征尺寸减小到纳米级，利用集成层级结构和尺寸效应，双光子光刻技术制造的金属/陶瓷微/纳复合结构完整性大大增强，具有超高的比强度。但是，强度和延展性的获得通常是相互排斥的。随着薄膜厚度的增加，报道的结构材料通常以灾难性的脆性失效而告终。于是有“越薄延展性越好”的尺寸效应，薄膜厚度通常小于100 nm甚至10nm，以实现尺寸诱导的脆性到延性转变，却也导致强度和刚度的提升不明显。因此，仍需开发大胆的结构和力学性能优异的新型材料，使机械超材料更接近实际应用。

突破在哪里？研究团队将目光投向了2000多年前的万神殿。

成励子介绍是受文艺复兴三驾马车之一的米开朗基罗在建筑史上的杰作启发，穹顶结构是一类能够以最少材料，围合最大的空间，提供强度的系统。而机械超材料通常具有超轻超强超韧，受力扭转等神奇性能，觉得非常有趣。所以想到了穹顶这类机械超材料，在微观尺度下，集成层级结构和尺寸效应，应该会有很好的力学性能。

穹顶层级机械超材料的示意图与微观结构表征

穹顶结构的径向梁和纬向梁相交以形成机械坚固的三角形单元，在受到轴向载荷时，拱和环通过局部弹性梁屈曲有效地将应变分配到地面，并承受较大的整体变形而不会发生破坏，因此具有超弹性。同时，尽管使用的材料很少，但穹顶建筑却非常坚固，解耦了强度和密度的相互制约。而比起传统的桁架结构，穹顶相互独立，单元之间没有牵制，因此能够有效避免应力集中带来的脆性失效。

研究团队通过在穹顶建筑中引入螺旋梁来增强延展性，其目的引入手性特征，从而探索新的增韧机制。另一方面，通过引入不同梯度的螺旋梁，从而实现穹顶机械超材料的结构优化和力学调控。

创新之处

对于这种新型超材料，研究团队认为创新点在于新结构。扭转是反常力学。在经典的柯西连续介质力学里是禁止扭转的，但是，他们开发出的穹顶实现了扭转自由度。

并且首次把超纳运用于3D打印结构。研究团队首次在3D打印结构上使用了“超纳米尺寸的双相玻璃晶体”膜，双相纳米结构能够同时实现超高屈服强度和大可塑性。研究团队超纳双相材料制造和微纳尺度3D打印支撑相互成全，才实现了这一类超轻力学结构。

性能突破。他们证明了微体系结构超材料可以占据迄今为空的材料属性空间（低密度下的强度和韧性）区域。轴向荷载下结构的扭转为材料提供了额外的变形模式，压缩与扭转变形模式耦合抑制了灾难性破坏，因此实现了良好的强度-延性组合。

不同螺旋结构穹顶的力学表征

超纳穹顶复合物良好的强度-延性组合，并与先前报道超材料比较。相比之前美国团队在Science上报道的强韧微晶格，抗压强度提高了73倍。

应用展望

对于这类超轻力学结构，研究团队认为其优异的力学性能和独特的形状，为我们打印更大的宏观耐损伤组件或轻质填充材料，及在人体血管里清除垃圾的微系统提供了轻巧的解决方案。

穹顶机械超材料的循环加载与潜在应用

团队负责人吕坚教授是法国国家技术科学院（NATF）院士，香港工程科学院院士，香港城市大学机械工程系讲座教授，国家贵金属材料工程研究中心香港分社理事，先进结构材料中心主任。研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的制备和力学性能，机械系统仿真模拟设计。曾任法国机械工业技术中 (CETIM)高级研究工程师和实验室负责人，法国特鲁瓦技术大学机械系统工程系系主任，法国教育部与法国国家科学中心（CNRS）机械系统与并行工程实验室主任，香港理工大学机械工程系系主任、讲座教授，兼任香港理工大学工程学院副院长，香港城市大学副校长。曾任法国、欧盟和中国的多项研究项目的负责人，并与空客、EADS、宝钢、安赛乐米塔尔、AREVA、ALSTOM、EDF、ABB、雷诺、标致等世界五百强公司有合作研究关系或为它们进行科学咨询工作。曾任欧盟第五框架科研计划评审专家；欧盟第六框架科研计划咨询专家；中国国家自然科学基金委海外评审专家，中科院首批海外评审专家，中科院沈阳金属所客座首席研究员，东北大学、北京滚球体育 大学、南昌大学名誉教授，西安交通大学和西北工业大学顾问教授，上海大学、中山大学、中南大学等大学客座教授，中科院知名学者团队成员，2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程滚球体育 奖。已取得34项欧、美、中专利授权，在本领域顶尖杂志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nature Communications、Science Advances、 Advanced Science、PRL、Angew. Chem. 等专业杂志上发表论文400余篇，引用2万8千余次（Google Scholar） 。