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宏觀高分子：PAM的獨(dú)特拓?fù)湓O(shè)計

• 高分子鏈段在低應(yīng)力下會滑動和重排，表現(xiàn)出粘彈性；
• 而在高應(yīng)力下，鏈段可能產(chǎn)生結(jié)晶或緊密堆積，表現(xiàn)出更高的剛性。

  盡管PAM展現(xiàn)出了類似高分子的行為，它的拓?fù)湓O(shè)計和力學(xué)響應(yīng)可以遠(yuǎn)超傳統(tǒng)高分子：

  1.顆粒的可編程設(shè)計：PAM中的單元顆�？梢酝ㄟ^幾何設(shè)計實(shí)現(xiàn)多種形狀（環(huán)、籠或多面體），賦予材料更高的結(jié)構(gòu)自由度。這種自由度在傳統(tǒng)高分子鏈段中很難實(shí)現(xiàn)。

  2.動態(tài)局部響應(yīng)：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(jī)械連接和滑動，能夠在局部區(qū)域?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立的粘彈性調(diào)控。

  3.跨越尺度的適應(yīng)性：PAM的獨(dú)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(yīng)特性，提供了更廣泛的應(yīng)用場景。

力學(xué)性能的物理探索：微觀結(jié)構(gòu)與宏觀響應(yīng)的橋梁

  PAM的設(shè)計提供了一個研究宏觀尺度上材料力學(xué)行為的新視角。

  熱力學(xué)分析表明，PAM的顆�？梢酝ㄟ^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?fù)渑渲�。進(jìn)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(jié)構(gòu)（即系統(tǒng)中其他分子無法進(jìn)入的空間）和顆粒平均速度來預(yù)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(xué)關(guān)系即可估算PAM在特定應(yīng)變下的局部堆積和有序狀態(tài)。

靜電響應(yīng)與形態(tài)變換的潛力

• 精準(zhǔn)性：通過靜電控制，PAM能夠從壓縮態(tài)迅速展開到張開態(tài)，過程耗時不到0.1秒。
• 潛在應(yīng)用：這種動態(tài)響應(yīng)特性特別適合航空航天領(lǐng)域的可展開結(jié)構(gòu)，如輕量化太陽能帆和可控展開天線。同時，它還為生物醫(yī)學(xué)中的柔性設(shè)備提供了創(chuàng)新思路。

拓?fù)湓O(shè)計：從基礎(chǔ)科學(xué)到通用方法

• 通用性：通過顆粒間的機(jī)械連接，PAM為跨尺度設(shè)計提供了統(tǒng)一的拓?fù)淇蚣�，適用于從微米級到宏觀結(jié)構(gòu)的多層次設(shè)計。
• 啟發(fā)性：這一方法論為其他材料體系（如高分子、顆粒材料和復(fù)雜流體）提供了新的建模思路，尤其在動態(tài)響應(yīng)與自適應(yīng)性領(lǐng)域。
• 跨學(xué)科潛力：拓?fù)湓O(shè)計結(jié)合機(jī)械性能調(diào)控，不僅推動了材料科學(xué)的發(fā)展，還可能對基礎(chǔ)物理學(xué)（如動力學(xué)和熵理論）產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

從PAM看高分子材料未來設(shè)計

• 局部應(yīng)變誘導(dǎo)的性能差異，為新型復(fù)合材料設(shè)計帶來了靈感。
• 利用熵驅(qū)動的自組裝過程，實(shí)現(xiàn)更高效、更可控的材料組裝。
• 結(jié)合PAM的拓?fù)浼s束，設(shè)計更加智能化、適應(yīng)性更強(qiáng)的材料，特別是在動態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用。

  PAM的出現(xiàn)為高分子科學(xué)注入了新的活力——它從“宏觀尺度的高分子”出發(fā)，重新定義了材料的性能與設(shè)計規(guī)則，也為設(shè)計更加智能、更加復(fù)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(xué)化學(xué)本科畢業(yè)，此后于2022年在美國西北大學(xué)獲得化學(xué)博士學(xué)位。2022年9月至今，在美國加州理工學(xué)院進(jìn)行博士后研究。他博士期間在一些高影響力期刊已發(fā)表20余篇論文，其中以第一或者共同第一作者發(fā)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(jī)械超材料的自動化設(shè)計與制造（本文）及其作為用于航空航天、軟體機(jī)器人等研究和實(shí)踐的新一代技術(shù)。他曾獲得MRS研究生金獎，中國政府海外優(yōu)秀學(xué)生獎，SPIE光學(xué)與光子學(xué)獎學(xué)金（SPIE Optics and Photonics Scholarship），國際納米技術(shù)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(xué)金（Ryan Fellowship）等獎項。

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

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