「不完美」讓材料更強勁

一項新的研究表明，通過借鑒晶體學中的概念並將其與3D列印相結合，具有網格結構的材料的性能有望更上一層樓。

網格結構在工程設計中頗為常見。這種結構在節約材料用量並降低物體密度的同時仍然能夠讓物體具有相當的強度，因此頗受設計者的青睞。然而具有網格結構的物體的力學性能往往仍然不盡如人意。來自英國的研究人員想到，網格結構可以看成宏觀世界裡的晶體，其節點相當於規則排列的一個個原子，而節點之間的材料對應連接原子的化學鍵。理想情況下，在整個晶體中，按照一定規律排列的原子或者分子沿著三維方向無限延伸，即通常所說的單晶。但實際上，晶體往往以多晶的形式存在。多晶包含許多大小不同的晶粒。在每一個晶粒中，原子或者分子都按照一定規則排列，但在晶粒之間，原子或者分子的排列具有不同的取向。多晶的存在雖然使得晶體看起來布滿缺陷，但對於金屬而言，它卻可以防止整個晶體在過大的範圍內變形，有助於提高材料的強度。研究人員因此設想，如果將宏觀世界裡的「單晶」也變成「多晶」，是否有助於提升網格結構的強度？

如此複雜的網格結構加工起來絕非易事，但不斷發展的3D列印技術讓這一類結構的製造變得更加容易。藉助3D列印，研究人員利用多種材料建造出網格結構。測試表明，「多晶」形式的網格結構確實比常規的網格結構具有更好的力學性能。相關研究不僅發表在頂級學術刊物《自然》上，《自然》雜誌還為此發表評論，彰顯了這一研究的重要意義。

雖然這一研究的結果仍很初步，但它毫無疑問為材料開發提供了新的思路。另外值得一提的是，由於這項研究揭示了宏觀網格結構和微觀晶體之間的相似性，因此我們也可以來一個逆向思維——通過分析3D列印出的網格結構來進一步研究金屬的微觀結構，從而提高金屬的力學性能。總之，這項研究對於材料學和工程設計領域都將產生重要的推動。

報道：https://cen.acs.org/materials/3-d-printing/3-D-printed-lattices-mimic/97/i3

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