補牙黨的福音：這種星形結構能延長牙齒填充料的使用壽命！

科學家首次創造了在三個維度上能夠伸縮的材料

撰文 Rachel Crowell

翻譯 劉書琬

審校 金庄維

麻省理工學院（MIT）的研究團隊近日利用3D列印技術製造了一種受熱收縮的星形結構，首次證明了受熱收縮能夠發生在三個維度上，並且實現了對收縮程度的調節。這有助於延長牙齒填充料、電路板、空間站零件、窗框、水管等物件的使用壽命。

視頻左下角是溫度。星形結構在加熱至350K時開始收縮，並且隨著溫度繼續升高進一步收縮。

（視頻來源：論文原文）

再好的牙齒填充料也會有變形損壞的一天，因為填充物在酸性物質與溫度的不斷影響下會逐漸磨損。近日， MIT的研究團隊製造了一種新結構，它的獨特性質有助於延長填充料的使用壽命。這種結構像冰一樣具有「負熱膨脹」的性質，即受熱時收縮而非膨脹。為了研發擁有這一性質的新材料，科學家已經努力工作了好幾年。現在，研究人員運用3D列印技術，終於在毫米尺度上製造出了負熱膨脹的星形結構（如圖）。該結構由兩種材料組成：剛性的含銅材料構成外部框架，而有彈性的聚合物材料構成內部支柱。這樣，星形結構受熱時便會向內收縮，而且在空間的三個方向上都是如此。這是科學家第一次證明負熱膨脹能在三個維度上發生，以往的結構都只能實現二維負熱膨脹。 研究人員還發現，通過改變外部框架中銅的含量，他們可以調節星形結構內縮的程度。將該結構與受熱膨脹的材料小心結合在一起有助於產品形狀在溫度變化下保持不變，這意味著電路板、衛星上搭載的相機以及人工牙齒填充料等物件的使用壽命都將得到延長 。

論文基本信息

【題目】Lightweight Mechanical Metamaterials with Tunable Negative Thermal Expansion

【作者】Qiming Wang, Julie A. Jackson,Qi Ge, Jonathan B. Hopkins, Christopher M. Spadaccini, and Nicholas X. Fang

【刊期】Physical Review Letters

【日期】21 October 2016

【DOI】10.1103/PhysRevLett.117.175901

【摘要】The Poisson』s ratio of amaterial characterizes its response to uniaxial strain. Materials normally possessa positive Poisson』s ratio - they contract laterally when stretched, and expandlaterally when compressed. A negative Poisson』s ratio is theoreticallypermissible but has not, with few exceptions of man-made bulk structures, beenexperimentally observed in any natural materials. Here, we show that thenegative Poisson』s ratio exists in the low-dimensional natural material blackphosphorus and that our experimental observations are consistent withfirst-principles simulations. Through applying uniaxial strain along armchairdirection, we have succeeded in demonstrating a cross-plane interlayer negativePoisson』s ratio on black phosphorus for the first time. Meanwhile, our resultssupport the existence of a cross-plane intralayer negative Poisson』s ratio inthe constituent phosphorene layers under uniaxial deformation along the zigzagaxis, which is in line with a previous theoretical prediction. The phenomenonoriginates from the puckered structure of its in-plane lattice, together withcoupled hinge-like bonding configurations.

【鏈接】http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.175901

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