科學進步很少會同時發生。通常這些事情發展得很慢。這是因為研究人員和工程師多年來不斷取得進步。直到非凡最終成為常態。
現在，科學家們可能已經到達了這一漸進旅程的轉折點。來自密歇根大學和空軍研究實驗室 (AFRL) 的研究人員演示瞭如何 3D 打印具有獨特內部幾何形狀的複雜管狀結構。這使得它們能夠以天然材料中從未見過的方式抑制振動。這些創作屬於所謂的範疇。機械超材料，是一種工程物質，其特性源自其整個設計而不是其成分。
防止或減少振動的能力在許多行業中都很有用。從運輸到建築等等。該團隊的研究結果發表在 已使用物理驗證。它建立在數十年的理論和計算機建模的基礎上，創建了可以阻止振動穿過其中的真實結構。
AFRL 聯合研究員詹姆斯·麥金納尼 (James McInerney) 表示：“這確實是開創性的。”我們意識到我們可以生產這些東西。 ”麥金納尼此前是密歇根大學的博士後研究員，與物理學教授毛曉明一起工作。誰也是這項新研究的作者
麥金納尼說：“我們樂觀地認為，這些東西可以用於良好的目的，在這種情況下是隔振。”
該項目部分由國防高級研究計劃局 (DARPA) 和海軍研究辦公室資助。它還涉及美國國家研究委員會研究合作計劃的支持。由科學工程與國民醫學研究所管理
貢獻者包括密西根大學機械工程副教授 Serife Tol；奧斯曼·奧德吉里·伊德里西。來自德克薩斯大學；以及 Afrl 的卡森·威利 (Carson Willie) 和阿比蓋爾·尤爾 (Abigail Juhl)。
“幾個世紀以來，人類通過化學改變材料來改進材料。我們的工作是建立在樹枝上的。超材料是幾何形狀而不是化學，這產生了不尋常和有用的特性，”毛說。 “這些幾何原理可以從納米尺度應用到宏觀尺度。它給了我們額外的耐用性。”
結構基礎
麥金納尼表示，這項研究是經典結構工程的彙編。現代物理學和尖端製造工具，如 3D 打印。
“我們確實有可能以令人難以置信的精度從頭到尾生產材料，”他說。 “我們的願景是，我們將能夠創造具有特定架構的材料。我們提出的問題是‘我們要用它做什麼？我們將創造新材料。它與我們習慣的材料有何不同？’”
正如毛所說，該團隊沒有改變材料的化學或分子組成。相反，他們正在探索如何在精細尺度上控制形狀和結構來創造新的、有利的機械性能。
當然，這種方法已經存在。例如，人體骨骼和浮游生物殼使用複雜的幾何形狀，從簡單的材料獲得令人難以置信的強度和靈活性。借助 3D 打印等技術，科學家可以復制和改進金屬、聚合物和其他物質的自然設計原理，以實現以前無法達到的結果。
“我們的想法並不是要取代鋼鐵和塑料。而是要更有效地利用它們，”麥金納尼說。
新學校遇見舊學校
雖然這項工作需要現代創新，但它有重要的歷史根源。首先是 19 世紀著名物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋 (James Clerk Maxwell) 的工作，儘管他最出名的是電磁學和熱力學方面的工作。麥金納尼說，但他也涉足力學，並提出了有用的設計考慮因素，用於創建具有稱為麥克斯韋晶格的重複子單元的穩定結構。
這項新研究背後的另一個關鍵想法出現在 20 世紀下半葉，物理學家發現材料的邊緣和邊界附近發生了有趣且令人費解的行為。這導致了一個新的研究領域，稱為拓撲學。他們仍然渴望並試圖解釋這些行為並幫助在現實世界中利用這些行為。
“大約十年前。有出版物發現麥克斯韋晶格可以表達拓撲距離，”麥金納尼說。
多年來，麥金納尼和同事一直在探索此類研究對隔振的影響。該團隊創建了一個模型來解釋這種行為。以及如何設計表現出這種行為的真實物體。現在，該團隊通過使用 3D 打印尼龍創建物體，證明了其模型是最先進的。
結構的簡要介紹揭示了為什麼以前創建它們具有挑戰性。它們類似於折疊並捲成管狀的鏈環柵欄，內層和外層連接在一起。物理學家將這些吸管稱為“戈薇吸管”，指的是使用類似圖案的傳統日本籃子編織。
然而，這只是實現此類結構潛力的第一步，麥金納尼說。結構抑制振動的能力越好。它只能支撐較小的重量。從應用程序的角度來看，這是一個非常昂貴且可能不可接受的權衡。但他表示，它凸顯了仍處於基本層面的機遇和有趣的問題。
當這樣的新結構建成後，科學家和工程師必須制定新的標準和方法來測試它。設定特徵並評估這些東西這是一個讓麥金納尼興奮的挑戰。
“因為我們有這樣的新行為，所以我們不僅在發現模型，而且還在發現如何測試它？我們從測試中得出的結論以及如何將這些結論納入設計過程，”他說。 “我認為在我們開始回答申請問題之前，需要誠實地回答這個問題。”
