宏观高分子：PAM的独特拓扑设计

• 高分子链段在低应力下会滑动和重排，表现出粘弹性；
• 而在高应力下，链段可能产生结晶或紧密堆积，表现出更高的刚性。

  尽管PAM展现出了类似高分子的行为，它的拓扑设计和力学响应可以远超传统高分子：

  1.颗粒的可编程设计：PAM中的单元颗粒可以通过几何设计实现多种形状（环、笼或多面体），赋予材料更高的结构自由度。这种自由度在传统高分子链段中很难实现。

  2.动态局部响应：与高分子链中受限的分子间作用力不同，PAM通过颗粒间的机械连接和滑动，能够在局部区域实现独立的粘弹性调控。

  3.跨越尺度的适应性：PAM的独特行为从微米级到宏观尺度保持一致，突破了高分子在分子尺度上受限的响应特性，提供了更广泛的应用场景。

力学性能的物理探索：微观结构与宏观响应的桥梁

  PAM的设计提供了一个研究宏观尺度上材料力学行为的新视角。

  热力学分析表明，PAM的颗粒可以通过自组装形成局部高度有序的聚集体，而这种自组装依赖于相邻单元的拓扑配置。进一步地，这一过程可以通过熵最大化理论来模拟。具体来说：

• PAM的局部排列可通过排除体积的几何结构（即系统中其他分子无法进入的空间）和颗粒平均速度来预测。
• 不需要考虑颗粒间的直接相互作用，仅基于几何和速度的热力学关系即可估算PAM在特定应变下的局部堆积和有序状态。

静电响应与形态变换的潜力

• 精准性：通过静电控制，PAM能够从压缩态迅速展开到张开态，过程耗时不到0.1秒。
• 潜在应用：这种动态响应特性特别适合航空航天领域的可展开结构，如轻量化太阳能帆和可控展开天线。同时，它还为生物医学中的柔性设备提供了创新思路。

拓扑设计：从基础科学到通用方法

• 通用性：通过颗粒间的机械连接，PAM为跨尺度设计提供了统一的拓扑框架，适用于从微米级到宏观结构的多层次设计。
• 启发性：这一方法论为其他材料体系（如高分子、颗粒材料和复杂流体）提供了新的建模思路，尤其在动态响应与自适应性领域。
• 跨学科潜力：拓扑设计结合机械性能调控，不仅推动了材料科学的发展，还可能对基础物理学（如动力学和熵理论）产生深远影响。

从PAM看高分子材料未来设计

• 局部应变诱导的性能差异，为新型复合材料设计带来了灵感。
• 利用熵驱动的自组装过程，实现更高效、更可控的材料组装。
• 结合PAM的拓扑约束，设计更加智能化、适应性更强的材料，特别是在动态环境中的应用。

  PAM的出现为高分子科学注入了新的活力——它从“宏观尺度的高分子”出发，重新定义了材料的性能与设计规则，也为设计更加智能、更加复杂的材料铺平了道路。

作者简介：

  周文杰，美国加州理工博士后。周文杰博士2016年于南开大学化学本科毕业，此后于2022年在美国西北大学获得化学博士学位。2022年9月至今，在美国加州理工学院进行博士后研究。他博士期间在一些高影响力期刊已发表20余篇论文，其中以第一或者共同第一作者发表在Science，Nature，Nature Materials，Science Advances，PANS，Advanced Materials等刊物。他博士后正致力于研究机械超材料的自动化设计与制造（本文）及其作为用于航空航天、软体机器人等研究和实践的新一代技术。他曾获得MRS研究生金奖，中国政府海外优秀学生奖，SPIE光学与光子学奖学金（SPIE Optics and Photonics Scholarship），国际纳米技术研究院杰出研究奖（IIN Outstanding Researcher），国际贵金属研究所明日之星奖（IPMI Bright Future Award），以及瑞安奖学金（Ryan Fellowship）等奖项。

  原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9713

  下载：3D polycatenated architected materials
  perspective：Not-so-fragile matter