【2025年05月24日訊】（記者吳瑞昌綜合報導）為了探索更好的材料，科學家持續改良現有材料，尋求更多新的可能性，使其具備原本欠缺的特性。這次，美國麻省理工學院（MIT）研發一種新的製造方法，有望讓原本易碎的陶瓷、玻璃和半導體等堅硬材料有機會獲得拉伸特性。
過去，超材料的開發，主要聚焦在保持低密度情況下，使其內部的晶格結構可以變得更加堅硬和抗壓。然而，其內部的接頭和節點通常會引起應力集中，容易在拉深或延展的過程中出現破裂，影響其整體的延展性或拉伸性。
雖然科學界透過晶格互穿、螺旋和編織晶格等方式，成功抑制裂紋擴散，提升材料剛度和拉伸性質，但這需要在剛度和拉伸性之間進行權衡，限制了超材料原本該有的潛在性能。
為了解決這個問題，麻省理工學院（MIT）的工程師使用製作膠黏劑的材料，分別作出柔韌性和剛性的聚合物，並採用雙網絡（DN）方式結合聚合物，使其兼具堅固與彈性，成為無需犧牲原有特性的機械超材料。這項研究成果於4月23日發表在《自然》雜誌上。
超材料（Metamaterial）又稱超構材料，是指具自然界沒有的人造特殊性質材料。雖然超材料的成分上沒有什麼特別之處，但其獨特性質源於大量極小的特殊幾何結構。
麻省理工學院實驗團隊透過高精度激光（雷射）3D列印，將具有類似有機玻璃和陶瓷特性的丙烯酸酯（acrylic ester）聚合物，打印成奈米級的微觀晶格，並以單片桁架作為「骨架」，讓柔性物質編織在上面整合成「雙網絡」結構。
實驗人員發現，雖然他們使用的材料本身像有機玻璃一樣堅硬，但由此編織的超材料卻像橡膠一樣柔軟有彈性，兼具柔軟性和剛性兩種性質。
他們還對材料進行了一系列壓力測試，發現「雙網絡」超材料，比單純的材料擁有更高剛度和拉伸性，甚至可以拉伸至本身長度的10倍後，還能不會完全斷裂。相較之下，其它形式的聚合物幾乎無拉伸性，容易在拉伸過程中破碎。
實驗人員表示，新材料的抗拉伸性來自於材料在受到壓力和拉伸時，其剛性支柱與混亂捲曲編織的相互作用。由於破裂支柱產生更多的纏結，纏繞於剛性晶格上，使其整體結構能夠承受更大壓力。
此外，實驗團隊發現，如果在超材料中戰略性的加入一些「缺陷」，可使「雙網絡」超材料比原本更具彈性和耐撕裂性。該團隊還開發了一個計算框架，讓工程師可以根據超材料的性能，設計出一些防撕裂的紡織品。
實驗人員表示，新的雙網路設計可應用於其它材料，包括彈性陶瓷、玻璃和金屬，或製成可以抗撕裂紡織品、柔性半導體、電子晶片封裝上，甚至未來用於培養具有修復性質的細胞組織。
他們還計劃讓這種雙網絡超物質，能隨著電力或溫度做出反應。例如製成一種可以隨著溫度變化的織物，溫暖時就變得透氣且柔軟，寒冷時則變得更加堅硬。
麻省理工學院羅伯特·諾伊斯職業發展副教授卡洛斯·波特拉（Carlos Portela）對該校新聞社表示，「過去我們都在尋找最堅硬、最堅固的超材料，未嘗試應於用於軟物質。如今團隊正在為超材料開闢這個新領域，計劃將金屬或陶瓷透過雙網絡方式進行列印，以此獲得更好的材料。」
波特拉解釋道，「大家可以想像這種雙網絡超物質，就像一團意大利麵條纏繞於格子上。當我們破壞格子網絡時，這些意大利麵條就會與格子的碎片糾纏，形成更多纏結，而這些纏結使材料更堅固。」
該研究的第一作者、麻省理工博士後詹姆斯·‧烏塔瑪‧蘇加迪（James Utama Surjadi）則表示，「你可能認為添加缺陷會劣化材料，但我們實際發現這種缺陷能使超材料的拉伸量增加一倍，且分散能量的能力增加三倍。」
波特拉說補充道，「我們計劃在更脆材料上應用此方法，賦予其多功能性。」
這項研究得到了美國國家科學基金會和麻省理工學院MechE MathWorks種子基金的部分資助。
