香(xiang)港大(da)學/香(xiang)港理(li)工(gong)大(da)學《CRPS》：基(ji)於(yu)玻(bo)璃3D打(da)印(yin)的微(wei)點(dian)陣(zhen)力(li)學超材料(liao)

通(tong)過(guo)先進制(zhi)造(zao)技(ji)術(shu)構(gou)建具(ju)有(you)周期性(xing)規(gui)則特征(zheng)的微(wei)點(dian)陣(zhen)結(jie)構，可以(yi)與各類(lei)材料(liao)相結(jie)合形成(cheng)力(li)學超材料(liao)，從而實現(xian)傳(chuan)統塊體材料(liao)難(nan)以(yi)達到的(de)非(fei)凡(fan)性能(neng)。例(li)如(ru)，在需(xu)要(yao)大變形(xing)和能(neng)量(liang)吸(xi)收(shou)的應(ying)用中(zhong)，已(yi)廣泛采用由(you)復合材料(liao)或金(jin)屬構成(cheng)的(de)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料(liao)；而由(you)碳(tan)或陶瓷所構成(cheng)的(de)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料(liao)，則主(zhu)要(yao)因其(qi)低(di)密度和高比強度(du)而受(shou)到關註(zhu)。然而，當(dang)前(qian)已有(you)的各類力學超材料(liao)無(wu)法(fa)同時滿(man)足(zu)透明(ming)度及(ji)其(qi)他(ta)光(guang)學特性要(yao)求，這(zhe)嚴重(zhong)制(zhi)約了其(qi)在(zai)非(fei)平(ping)面電子(zi)屏(ping)幕(mu)或異(yi)形(xing)結(jie)構玻(bo)璃等(deng)特(te)定領域(yu)中的(de)應(ying)用需(xu)求。

有(you)鑒(jian)於此，香(xiang)港大(da)學機(ji)械(xie)工(gong)程系(xi)陸(lu)洋教(jiao)授課(ke)題組在(zai)近(jin)期與香(xiang)港理(li)工(gong)大(da)學溫燮(xie)文(wen)教(jiao)授合作發(fa)展(zhan)的高精度微(wei)納(na)石英(ying)玻(bo)璃3D打(da)印(yin)（Nat. Commun., 2024, 15(1), 2689）工(gong)作基(ji)礎(chu)上，更進壹步(bu)通過(guo)結(jie)合拉(la)伸主(zhu)導(dao)型的(de)高機(ji)械(xie)效率octet-truss拓(tuo)撲(pu)構型(xing)，成(cheng)功(gong)制(zhi)備(bei)了(le)具(ju)有(you)可定制(zhi)化機(ji)械(xie)性能(neng)的(de)透明(ming)玻(bo)璃微(wei)點(dian)陣(zhen)力(li)學超材料(liao)（圖1）。該(gai)進展(zhan)拓寬了(le)力(li)學超材料(liao)的種(zhong)類(lei)範(fan)圍(wei)，為實現(xian)輕(qing)量化高強度(du)透明(ming)超材料(liao)鋪(pu)平(ping)了(le)道路(lu)，並(bing)為各類(lei)多功能(neng)應(ying)用提(ti)供了機(ji)會(hui)。

圖(tu)1：3D打印(yin)玻(bo)璃微(wei)點(dian)陣(zhen)力(li)學超材料(liao)的制(zhi)備(bei)示意(yi)圖。（A）通(tong)過(guo)多步後處理(li)過(guo)程，將打印(yin)所得的二氧化矽-聚(ju)合物納(na)米復合前驅(qu)體(ti)逐(zhu)步(bu)轉化為高質量(liang)、無(wu)缺(que)陷的(de)透明(ming)石英玻(bo)璃。（B）各(ge)階(jie)段(duan)下(xia)微點(dian)陣(zhen)結(jie)構對應(ying)的光(guang)學和掃(sao)描(miao)電(dian)子(zi)顯(xian)微(wei)鏡(jing)圖像(xiang)。

課(ke)題組通(tong)過(guo)采用摩方(fang)精密面投影(ying)微(wei)立(li)體光(guang)刻（PμSL）技(ji)術3D打(da)印(yin)設(she)備(bei)（nanoArch®P130 & nanoArch®S140），制(zhi)備(bei)了(le)壹系(xi)列具有(you)不(bu)同(tong)拓(tuo)撲(pu)構型(xing)（相對密度、特征(zheng)尺(chi)寸、單(dan)元(yuan)數量(liang)）的(de)玻(bo)璃微(wei)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料(liao)；利(li)用(yong)原(yuan)位(wei)微納(na)米機(ji)械(xie)測(ce)試(shi)系統研究(jiu)其(qi)力(li)學行為，並(bing)結(jie)合有限(xian)元(yuan)模擬(ni)分(fen)析、Bazant-斷(duan)裂理論(lun)、Weibull-最(zui)弱鏈理論(lun)和線彈(dan)性理(li)論，揭示了玻(bo)璃微(wei)點(dian)陣(zhen)的(de)結(jie)構與性能(neng)之間(jian)的關系（圖(tu)2）。

圖(tu)2：不(bu)同(tong)拓(tuo)撲(pu)構型(xing)下玻(bo)璃微(wei)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料(liao)的力(li)學行為。（A）相對密度所主(zhu)導(dao)的力(li)學行為：隨(sui)著(zhe)相對密度的增加，玻(bo)璃微(wei)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料(liao)破壞(huai)模式(shi)從(cong)逐(zhu)層(ceng)破壞(huai)轉(zhuan)變逐(zhu)步(bu)演(yan)變(bian)為災難(nan)性的(de)脆(cui)性斷裂模式(shi)；根(gen)據(ju)有限(xian)元(yuan)模擬(ni)結(jie)果顯(xian)示，該轉(zhuan)變(bian)由(you)裂紋在(zai)基(ji)體(ti)中沿不(bu)同(tong)方(fang)向(xiang)擴展(zhan)機(ji)制(zhi)所決定(ding)。（B）特(te)征(zheng)尺(chi)寸所主(zhu)導(dao)的力(li)學行為：通過(guo) 均勻減(jian)小桿(gan)件特(te)征(zheng)尺(chi)寸，可以(yi)有效增強玻(bo)璃微(wei)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料(liao)的整體機(ji)械(xie)性能(neng)，包(bao)括(kuo)結(jie)構標稱(cheng)強度(du)和歸(gui)壹化材料(liao)強度(du)，符合“越小越(yue)強"現(xian)象(xiang)。（C）單(dan)元(yuan)數量(liang)所主(zhu)導(dao)的力(li)學行為：通過(guo)增加單(dan)元(yuan)數量(liang)，可以(yi)有效減(jian)輕(qing)邊緣(yuan)效應(ying)，並(bing)提(ti)升特(te)征(zheng)變化的均質性和(he)獨(du)立(li)性，從(cong)而顯(xian)著(zhu)提高玻(bo)璃微(wei)點(dian)陣(zhen)超(chao)材料(liao)的可靠性(xing)和(he)壹致(zhi)性。

綜(zong)上所述(shu)，課題(ti)組采取了(le)壹種(zhong)策略，即(ji)在(zai)降(jiang)低(di)相對密度的同時(shi)均勻減(jian)少(shao)特征(zheng)尺(chi)寸並(bing)增加單(dan)元(yuan)數目(mu)（圖(tu)3D），以(yi)有效提(ti)升玻(bo)璃微(wei)點(dian)陣(zhen)力(li)學超材料(liao)的整體機(ji)械(xie)性能(neng)，並(bing)且(qie)保持(chi)其(qi)輕(qing)質特性（圖(tu)3A）。拓(tuo)撲(pu)構型(xing)的玻(bo)璃微(wei)點(dian)陣(zhen)力(li)學超材料(liao)能(neng)夠(gou)輕(qing)松承(cheng)受(shou)其(qi)自(zi)身數(shu)千(qian)倍(bei)重(zhong)量的(de)載荷，且(qie)不(bu)會(hui)引發任何(he)形(xing)式(shi)的失效（圖(tu)3B）；同(tong)時，由(you)於(yu)玻(bo)璃微(wei)點(dian)陣(zhen)本(ben)身(shen)具(ju)有(you)較(jiao)輕(qing)的質量，其(qi)密度僅(jin)為0.198 g/cm3，遠低(di)於(yu)商業聚(ju)氨酯泡沫(mo)的密度（0.5 g/cm3），可以(yi)輕(qing)松地放置在商業泡沫(mo)上而不(bu)會(hui)引起任何(he)形(xing)變(bian)（圖3C）。

圖(tu)3：通過(guo)在(zai)透明(ming)玻(bo)璃微(wei)點(dian)陣(zhen)力(li)學超材料(liao)中實現(xian)輕(qing)量化和高強度(du)特性(xing)。

該(gai)成(cheng)果以(yi)“3D-printed fused silica glass microlattice as mechanical metamaterial"為題發(fa)表於(yu)國(guo)際期刊《Cell Reports Physical Science》上，課(ke)題(ti)組2020級博(bo)士(shi)研究(jiu)生黎子(zi)永(yong)為該論(lun)文(wen)第(di)壹作者。