链甲|Nature：“反牛顿”的高科技版“软猬甲”问世，一作为华人科学家

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文丨学术头条，作者丨郝景，编审丨寇建超
看过《射雕英雄传》的你或许知道，黄蓉身上有一件桃花岛的“镇岛之宝”，穿在身上不仅刀枪不入，更能以刺伤人，欧阳克轻触便觉得双手刺痛，而郭靖紧抱时却安然无恙，这就是出现在很多武侠小说中的“神衣”软猬甲。
软猬甲的原型是三国时期的一种用油浸渍的藤甲，后因加入金属丝而变得更加坚固，从而在战争中达到防御的效果。
与软猬甲特点相似、但出现更早的铠甲是链甲，它是由一个个铁环环环相扣而成，具有密度高、耐砍、耐劈、柔韧等特点，当时广泛地存在于古代各文明国度的军队中。

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（来源：Pixabay）
如今，“软猬甲”在现代人手中得到了更加广阔的发展。
来自加州理工大学、南洋理工大学的科学家们就设计了一种现代“软猬甲”，即一种由 3D 打印的聚合物元素（而非织物）联锁而成的面料（类似链甲）。这种面料能在柔软和坚硬的形状间逐渐切换：由于互锁颗粒而具有高抗拉强度，仅在小的外部压力下（93 kPa，大约为 0.93 kg）就会变得比松弛状态下强硬 25 倍；而处于天然状态时，这种面料易弯折，能披挂在复杂物体表面。
而且，基于这种面料得到的结构，最大载重量可达自身重量的 30 倍以上。

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8月12 日，相关研究论文以“Structured fabrics with tunable mechanical properties”为题在线发表在权威期刊 Nature 上。加州理工学院机械工程和应用物理学教授 Chiara Daraio 为论文的通讯作者，华人科学家 Yifan Wang、Liuchi Li 为论文的共同第一作者。

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（来源：Nature）
在同时发表在 Nature 上的评论文章中，材料力学科学家 Laurent Orgéas 评价道，这种材料有望用于制造面向生物医学、运动或军事应用的外骨骼，或是搭建临时性避难所等。
“吃软不吃硬”普通面料和织物的特性通常由材质的天然特性和编织结构共同决定，而智能面料是指具有适应性的材质，比如可根据外在刺激发生改变的材质。
此次研究中的链甲的神奇之处在于：当它穿在身上时，柔韧且可以紧贴皮肤；而当它受到外力的作用时，却可以坚硬无比。
这不得不让我们联想到“口香糖开椰子”的神操作。把嚼过的口香糖捏成圆锥状立在桌子上，当椰子从高处砸下后，本以为会被压扁的口香糖却毫无变化，反而椰子壳被开了一个洞。

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（来源：Pixabay）
事实上，这种违反常识的事情在生活中却屡见不鲜。
比如做饭时经常用到的淀粉，当你将淀粉溶液放在手上时，它会像所有流体一样从指缝中流走，而使劲握住它时，又会变得非常坚硬。在淀粉溶液做成的泳池中，人们甚至可以表演“轻功水上漂”。
这就是“吃软不吃硬”的非牛顿流体，又称为剪切增稠流体。顾名思义，非牛顿流体在受力较缓慢的情况下，产生的阻力较小；在受力较大时，就会产生较大的阻力。
这就是非牛顿流体呈现的流体塑性和固体刚性行为，而此次研究中的链甲也具有同样的性质。
为什么能这么“硬”？由于具有特定性能材料需求的日益增长，调整和细化材料的化学和纳米结构已经无法满足需要，因此“结构化”材料应运而生。
此次研究中的“链甲”是一种由两层互锁颗粒组成的结构化织物。据论文描述，这种织物材料在围压下会经历一个相变（堵塞转变），从而改变其机械性能，由柔软的纺织品变成坚硬的外壳。