文|《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者 王昊昊 通訊員 楊煜昕
“最燒腦時(shí)根本睡不著，要吃褪黑素助眠，做夢(mèng)都在推導(dǎo)公式。”90后國(guó)防科技大學(xué)研究員方鑫，最近終于不用靠褪黑素入睡了。他用6年時(shí)間解出了一個(gè)世界難題。
現(xiàn)有的工程材料無(wú)法兼顧高強(qiáng)度和高韌性。要么很硬易斷（韌性低），比如陶瓷、金屬等，“太剛易折”；要么很軟易變（強(qiáng)度低），如橡膠。這是一個(gè)百年未解的世界性難題。
相同量的棉麻材料，為什么捻成繩子后比捻之前更結(jié)實(shí)？繩子打結(jié)后，為什么能更緊更牢固？方鑫從擰麻繩的手藝中找到解決上述問(wèn)題的靈感。
通過(guò)用扭曲變形替代彎曲變形，研究者設(shè)計(jì)出新的手性超結(jié)構(gòu)，打破了材料與結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能禁區(qū)，嘗試近30種建模解析思路，建立了優(yōu)美的“手性扭曲理論”。日前，這一成果發(fā)表于Nature，國(guó)防科技大學(xué)為論文第一單位，方鑫是第一作者兼共同通訊作者，中國(guó)科學(xué)院外籍院士高華健等為通訊作者。
研究者構(gòu)建的全新手性超結(jié)構(gòu) 受訪者供圖
盤碗擰繩得靈感
方鑫有個(gè)習(xí)慣，日常工作和生活中，總愛“盤玩”一些他認(rèn)為能發(fā)掘出力學(xué)研究潛力的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。
幾乎所有工程結(jié)構(gòu)和裝備機(jī)體都追求輕質(zhì)、高剛度、高強(qiáng)度、高韌性的材料，兼顧這些屬性意味著結(jié)構(gòu)具備高彈性能（機(jī)械能）儲(chǔ)能密度、高承載能力以及優(yōu)異的抗沖擊、輕量化、小型化和運(yùn)動(dòng)靈敏度。
此前方鑫已在機(jī)械超結(jié)構(gòu)的強(qiáng)非線性波動(dòng)、智能調(diào)節(jié)、高強(qiáng)高能設(shè)計(jì)等方面取得系列成果。他曾提出一種原創(chuàng)性的智能超材料設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了金屬基材料剛度和形狀的大范圍、連續(xù)、快速調(diào)節(jié)。相關(guān)成果2023年在Nature Materials以封面文章發(fā)表后，被Nature評(píng)為當(dāng)年6月的全球重要科技進(jìn)展。
方鑫介紹其相關(guān)研究工作 王昊昊/攝
本次科研成果的一個(gè)重要靈感，正是源于前述的Nature Materials研究。
那是2019年，方鑫正在做抗沖擊相關(guān)研究。他想搞清楚柔性材料在受到擠壓后會(huì)如何形變，便通過(guò)3D打印制作了一個(gè)帶編織結(jié)構(gòu)的柔性碗。
“原本設(shè)想的是，擠壓這個(gè)柔性的碗會(huì)讓它癟下去，但事實(shí)上并沒有。”方鑫發(fā)現(xiàn)編織的碗在擠壓后會(huì)呈現(xiàn)扭曲狀，類似打結(jié)的繩子。
這個(gè)意外收獲讓方鑫來(lái)了興趣。“我覺得很神奇。”他腦子里充滿疑問(wèn)，為什么碗會(huì)轉(zhuǎn)起來(lái)呈現(xiàn)扭曲狀？他隨之聯(lián)想到繩子，碗的扭曲和繩子打結(jié)極為相似。
軟繩擰一下會(huì)變得又緊又堅(jiān)固。繩子在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生了什么變化？為什么簡(jiǎn)單的扭曲形變會(huì)讓其剛度大增？帶著這些問(wèn)題，方鑫進(jìn)行了深入研究。他發(fā)現(xiàn)，這是近現(xiàn)代力學(xué)領(lǐng)域一直沒有解決的問(wèn)題，即結(jié)構(gòu)扭曲問(wèn)題。
最燒腦時(shí)靠褪黑素入眠
緊接著，方鑫發(fā)現(xiàn)不只是材料難以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與韌性兼得，結(jié)構(gòu)也符合這種規(guī)律。“現(xiàn)在的工程材料和結(jié)構(gòu)有成千上萬(wàn)種構(gòu)型。我查閱了大量文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，這些構(gòu)型的構(gòu)造模型，全部基于彎曲和屈曲，材料的抗壓能力都基于這些理論。”方鑫表示。
能否通過(guò)對(duì)變形模式的控制，來(lái)破解材料和結(jié)構(gòu)無(wú)法兼顧高強(qiáng)度和高韌性的問(wèn)題？這讓方鑫立即聯(lián)系到他在碗和繩子中獲得的靈感：“繩子打結(jié)后會(huì)更緊更堅(jiān)固。如果把繩子打結(jié)的過(guò)程引入材料和結(jié)構(gòu)變形的過(guò)程，能不能改變材料和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、韌性？”
繩子的打結(jié)過(guò)程可以輕松完成，但如果讓鋼筋“打結(jié)”進(jìn)而增加其強(qiáng)度，不依靠工具沒法輕易完成，為此方鑫還設(shè)想加裝一個(gè)結(jié)構(gòu)讓打結(jié)的過(guò)程自動(dòng)完成。
基于這些設(shè)想，研究者提出一個(gè)新原理，即用壓縮扭轉(zhuǎn)屈曲結(jié)構(gòu)替代壓縮彎曲屈曲結(jié)構(gòu)作為桁架結(jié)構(gòu)的基元，構(gòu)造可自由扭轉(zhuǎn)的手性胞元來(lái)誘發(fā)所需的扭曲模式，據(jù)此創(chuàng)造出新的手性超結(jié)構(gòu)，跳出基材本身強(qiáng)度與韌性的制約，用扭曲變形替代彎曲變形來(lái)設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)。
大量理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，相比現(xiàn)有非手性輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，在未優(yōu)化情況下，這種手性結(jié)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)高剛度、承受大變形，將承載屈曲強(qiáng)度提升5至20倍，將彈性應(yīng)變能密度提升5至160倍以上，打破了材料與結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能禁區(qū)。
雖然成功構(gòu)建了性能優(yōu)越的手性超結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)為什么能顯著提升材料和結(jié)構(gòu)的性能，背后的科學(xué)原理是什么，沒有人知道。方鑫發(fā)現(xiàn)，挖掘其科學(xué)原理比構(gòu)建出結(jié)構(gòu)更困難。
方鑫帶著這個(gè)問(wèn)題與力學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威學(xué)者高華健院士開展了深入研討。高華健說(shuō)：“扭轉(zhuǎn)屈曲是結(jié)構(gòu)力學(xué)中極具挑戰(zhàn)性的經(jīng)典難題。長(zhǎng)期以來(lái)，研究者們一直試圖尋找大變形條件下扭轉(zhuǎn)屈曲的解析解，但始終未能成功，導(dǎo)致這一研究方向逐漸被冷落。另有學(xué)者嘗試通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)研究這一變形過(guò)程，但卻無(wú)法揭示完整的力學(xué)演化機(jī)制。”
聽了高老師的解釋，方鑫下決心用數(shù)學(xué)方程把它表示出來(lái)。
但這并不容易。“嘗試了很多種建模方法，依然沒法準(zhǔn)確解析扭曲的科學(xué)原理。那段時(shí)間很沮喪，不知道問(wèn)題出在哪里，最燒腦時(shí)晚上根本睡不著覺，要吃褪黑素才能入睡。”方鑫說(shuō)。
為何揭示力學(xué)原理面臨更大的科學(xué)挑戰(zhàn)？原因在于桿件結(jié)構(gòu)的“壓縮扭轉(zhuǎn)屈曲”是一個(gè)復(fù)雜的三維強(qiáng)非線性變形模式，難以在3D幾何空間刻畫，建立其三維變形的幾何表述、載荷平衡關(guān)系、變形相容關(guān)系、變形與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。直到嘗試了近30種建模方法后，方鑫才找到了手性扭曲問(wèn)題的解析答案。
四個(gè)“工人”協(xié)同“作戰(zhàn)”
那么，材料和結(jié)構(gòu)扭曲過(guò)程中究竟發(fā)生了什么，使得其性能大增？
方鑫發(fā)現(xiàn)，扭曲的過(guò)程是為由四類變形組合而成。如果將這四類變形組合比喻成工人，那扭曲的過(guò)程就是四個(gè)“工人”在協(xié)同“作戰(zhàn)”。
方鑫在實(shí)驗(yàn)室中 王昊昊/攝
這四個(gè)“工人”都負(fù)責(zé)哪些工作？方鑫介紹，它們各司其職、同時(shí)工作。彎曲發(fā)生的過(guò)程有兩個(gè)“工人”，一個(gè)負(fù)責(zé)接受壓力、一個(gè)負(fù)責(zé)讓材料變彎。扭曲過(guò)程中則多了兩個(gè)“工人”，它們帶來(lái)了材料性能的極大增量。除了彎曲中的兩個(gè)“工人”，還有一個(gè)負(fù)責(zé)扭轉(zhuǎn)、一個(gè)負(fù)責(zé)產(chǎn)生交叉方向的彎曲從而擴(kuò)大變形空間。四者同步協(xié)作，使材料在強(qiáng)度和彈性（極限變形能力）上實(shí)現(xiàn)飛躍。
基于此，研究團(tuán)隊(duì)最終找到了手性扭曲問(wèn)題的解析最優(yōu)解，建立了優(yōu)美的“手性扭曲理論”，將這類問(wèn)題的研究向前推進(jìn)了一大步。
據(jù)介紹，該團(tuán)隊(duì)所建立的手性解析模型能在20%變形范圍內(nèi)準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)變形。研究發(fā)現(xiàn)，壓縮扭曲包含了多種變形模式，可以在幾乎不增加基桿應(yīng)力的前提下通過(guò)扭轉(zhuǎn)和面外變形額外存儲(chǔ)一倍以上的能量，從而在相同材料強(qiáng)度約束下大幅提升整體超結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。
“Ground breaking！”高華健認(rèn)為，手性扭曲理論揭示了材料和結(jié)構(gòu)高強(qiáng)高能特性的產(chǎn)生機(jī)理，將為航空、航天、船舶、高鐵、汽車等工業(yè)系統(tǒng)提供重要解決方案。
審稿時(shí)“自找苦吃”
此次成果從向Nature投稿到正式發(fā)表，共經(jīng)歷了三次修改。讓方鑫印象最深刻的是一審。
其實(shí)，一審的審稿人僅提出完善一些細(xì)節(jié)并無(wú)需大改，這對(duì)很多論文投稿者來(lái)說(shuō)是好消息，意味著成果能盡快發(fā)表。但方鑫在一審后卻提出再加一部分審稿人未提及的內(nèi)容。
當(dāng)時(shí)，方鑫已經(jīng)想通了扭曲的過(guò)程中有四個(gè)“工人”在協(xié)同“作戰(zhàn)”。“我的手性扭曲理論也已經(jīng)很準(zhǔn)確了，但是描述過(guò)程中一些數(shù)學(xué)問(wèn)題的闡述還不夠嚴(yán)謹(jǐn)，審稿人可能沒有關(guān)注到這些問(wèn)題，即使不修改論文也能夠發(fā)表。”方鑫說(shuō)。
他始終覺得理論的數(shù)學(xué)方程還不夠完美，可以再完善一下。“不甘心如此。如果我搞不好這個(gè)研究，以后可能很多年里都不會(huì)有人去關(guān)注和解決這個(gè)問(wèn)題，別人在應(yīng)用這個(gè)理論時(shí)可能也會(huì)有這樣那樣的疑問(wèn)。而且完善手性扭曲理論，是推進(jìn)力學(xué)研究的根本問(wèn)題，更要奠定好基礎(chǔ)。”
沒想到，這個(gè)“自找苦吃”的做法，讓方鑫經(jīng)歷了他研究生涯最煎熬的一個(gè)月。
那段時(shí)間，方鑫推掉了很多重要會(huì)議。他的很多朋友和同事詫異，方鑫怎么不來(lái)開會(huì)了。他基本都泡在實(shí)驗(yàn)室，甚至連晚上做夢(mèng)都在推導(dǎo)數(shù)學(xué)公式。有時(shí)候白天想問(wèn)題入迷，同事跟他打招呼都沒注意到。
過(guò)了兩周多后，方鑫還是沒有獲得任何新進(jìn)展。“有人勸我以后再找機(jī)會(huì)解決這個(gè)問(wèn)題，又不影響論文發(fā)表。”方鑫也覺得太煎熬了，身體根本吃不消，便給自己定了一個(gè)為期30天的“Deadline”。
直到接到一審修改意見的20多天后，方鑫才找到最優(yōu)解，“雖然耽擱了一些時(shí)日，用了三個(gè)多月完成修改，但最終熬出了好結(jié)果，沒有缺陷、沒留遺憾”。
Nature審稿人評(píng)價(jià)說(shuō)，這是一個(gè)很棒的研究。“通過(guò)平衡結(jié)構(gòu)能量密度、剛度、強(qiáng)度和可恢復(fù)應(yīng)變，解決了工程中的一個(gè)基本挑戰(zhàn)，為非線性材料力學(xué)和具有不同應(yīng)用的高焓材料提供了新的見解。”
現(xiàn)在，方鑫團(tuán)隊(duì)圍繞構(gòu)建的手性超結(jié)構(gòu)和手性扭曲理論，在相關(guān)領(lǐng)域開展應(yīng)用研究，“期待它們發(fā)揮出更優(yōu)性能”。
相關(guān)論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08658-z
本文鏈接：http://www.gxcspki.cn/news-8-3291-0.html“做夢(mèng)都在推導(dǎo)公式”！90后研究員破解百年難題
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