麻省大学阿默斯特分校的科学家们设计出可以吸收和释放大量能量的新材料

“想象一根橡皮筋，”麻省大学阿默斯特分校聚合物科学与工程教授、该论文的资深作者Alfred Crosby说。“你把它拉回来，当你放开它时，它就会飞过房间。现在想象一个超级橡皮筋。当您将其拉伸超过某个点时，您会激活存储在材料中的额外能量。当你松开这条橡皮筋时，它会飞一英里。”

这个假想的橡皮筋是由一种新的超材料制成的——一种被设计成具有天然材料中没有的特性的物质——它结合了一种弹性的橡胶状物质和嵌入其中的微小磁铁。这种新的“弹磁”材料利用称为相移的物理特性来极大地放大材料可以释放或吸收的能量。

当材料从一种状态移动到另一种状态时，就会发生相移：想想水变成蒸汽或液体混凝土硬化成人行道。每当一种材料改变其相位时，能量要么被释放要么被吸收。相移不仅限于液态、固态和气态之间的变化——从一种固相到另一种固相的转变也可能发生。可以利用释放能量的相移作为电源，但获得足够的能量一直是困难的部分。

“为了放大能量释放或吸收，你必须在分子甚至原子水平上设计一个新结构，”克罗斯比说。然而，这具有挑战性，甚至更难以以可预测的方式进行。但是通过使用超材料，克罗斯比说：“我们已经克服了这些挑战，不仅制造了新材料，还开发了设计算法，使这些材料能够以特定的响应进行编程，使其可预测。”

该团队受到自然界中一些闪电般的快速反应的启发：捕蝇草和捕蝇草的快速关闭。“我们已经把它提升到了一个新的水平，”该论文的主要作者，目前是中国深圳哈尔滨工业大学 (HITSZ) 的教授，他在麻省大学阿默斯特分校做博士后期间完成了这项研究。“通过将微型磁铁嵌入弹性材料中，我们可以控制这种超材料的相变。而且由于相移是可预测和可重复的，我们可以设计超材料来完成我们想要它做的事情：要么从大冲击中吸收能量，要么释放大量能量以进行爆炸性运动。”