文|《中國科學報》記者 王昊昊 通訊員 楊煜昕
“最燒腦時根本睡不著，要吃褪黑素助眠，做夢都在推導公式?！?0后國防科技大學研究員方鑫，最近終于不用靠褪黑素入睡了。他用6年時間解出了一個世界難題。
現(xiàn)有的工程材料無法兼顧高強度和高韌性。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（強度低），如橡膠。這是一個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？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題的靈感。
通過用扭曲變形替代彎曲變形，研究者設計出新的手性超結(jié)構(gòu)，打破了材料與結(jié)構(gòu)的力學性能禁區(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，國防科技大學為論文第一單位，方鑫是第一作者兼共同通訊作者，中國科學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
方鑫有個習慣，日常工作和生活中，總愛“盤玩”一些他認為能發(fā)掘出力學研究潛力的材料和結(jié)構(gòu)設計方法。
幾乎所有工程結(jié)構(gòu)和裝備機體都追求輕質(zhì)、高剛度、高強度、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（機械能）儲能密度、高承載能力以及優(yōu)異的抗沖擊、輕量化、小型化和運動靈敏度。
此前方鑫已在機械超結(jié)構(gòu)的強非線性波動、智能調(diào)節(jié)、高強高能設計等方面取得系列成果。他曾提出一種原創(chuàng)性的智能超材料設計方法，實現(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)。相關成果2023年在Nature Materials以封面文章發(fā)表后，被Nature評為當年6月的全球重要科技進展。
方鑫介紹其相關研究工作 王昊昊/攝
本次科研成果的一個重要靈感，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研究。他想搞清楚柔性材料在受到擠壓后會如何形變，便通過3D打印制作了一個帶編織結(jié)構(gòu)的柔性碗。
“原本設想的是，擠壓這個柔性的碗會讓它癟下去，但事實上并沒有?！狈仅伟l(fā)現(xiàn)編織的碗在擠壓后會呈現(xiàn)扭曲狀，類似打結(jié)的繩子。
這個意外收獲讓方鑫來了興趣?！拔矣X得很神奇?！彼X子里充滿疑問，為什么碗會轉(zhuǎn)起來呈現(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。
軟繩擰一下會變得又緊又堅固。繩子在扭轉(zhuǎn)過程中發(fā)生了什么變化？為什么簡單的扭曲形變會讓其剛度大增？帶著這些問題，方鑫進行了深入研究。他發(fā)現(xiàn)，這是近現(xiàn)代力學領域一直沒有解決的問題，即結(jié)構(gòu)扭曲問題。
最燒腦時靠褪黑素入眠
緊接著，方鑫發(fā)現(xiàn)不只是材料難以實現(xiàn)強度與韌性兼得，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)有成千上萬種構(gòu)型。我查閱了大量文獻后發(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?！狈仅伪硎?。
能否通過對變形模式的控制，來破解材料和結(jié)構(gòu)無法兼顧高強度和高韌性的問題？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)后會更緊更堅固。如果把繩子打結(jié)的過程引入材料和結(jié)構(gòu)變形的過程，能不能改變材料和結(jié)構(gòu)的強度、韌性？”
繩子的打結(jié)過程可以輕松完成，但如果讓鋼筋“打結(jié)”進而增加其強度，不依靠工具沒法輕易完成，為此方鑫還設想加裝一個結(jié)構(gòu)讓打結(jié)的過程自動完成。
基于這些設想，研究者提出一個新原理，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)，跳出基材本身強度與韌性的制約，用扭曲變形替代彎曲變形來設計新結(jié)構(gòu)。
大量理論分析與實驗測試表明，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)也能實現(xiàn)高剛度、承受大變形，將承載屈曲強度提升5至20倍，將彈性應變能密度提升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，背后的科學原理是什么，沒有人知道。方鑫發(fā)現(xiàn)，挖掘其科學原理比構(gòu)建出結(jié)構(gòu)更困難。
方鑫帶著這個問題與力學領域的權(quán)威學者高華健院士開展了深入研討。高華健說：“扭轉(zhuǎn)屈曲是結(jié)構(gòu)力學中極具挑戰(zhàn)性的經(jīng)典難題。長期以來，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，導致這一研究方向逐漸被冷落。另有學者嘗試通過數(shù)值模擬來研究這一變形過程，但卻無法揭示完整的力學演化機制?！?span style="display:none">VtO即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com
聽了高老師的解釋，方鑫下決心用數(shù)學方程把它表示出來。
但這并不容易?！皣L試了很多種建模方法，依然沒法準確解析扭曲的科學原理。那段時間很沮喪，不知道問題出在哪里，最燒腦時晚上根本睡不著覺，要吃褪黑素才能入睡。”方鑫說。
為何揭示力學原理面臨更大的科學挑戰(zhàn)？原因在于桿件結(jié)構(gòu)的“壓縮扭轉(zhuǎn)屈曲”是一個復雜的三維強非線性變形模式，難以在3D幾何空間刻畫，建立其三維變形的幾何表述、載荷平衡關系、變形相容關系、變形與結(jié)構(gòu)強度關系的數(shù)學方程。直到嘗試了近30種建模方法后，方鑫才找到了手性扭曲問題的解析答案。
四個“工人”協(xié)同“作戰(zhàn)”
那么，材料和結(jié)構(gòu)扭曲過程中究竟發(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，那扭曲的過程就是四個“工人”在協(xié)同“作戰(zhàn)”。
方鑫在實驗室中 王昊昊/攝
這四個“工人”都負責哪些工作？方鑫介紹，它們各司其職、同時工作。彎曲發(fā)生的過程有兩個“工人”，一個負責接受壓力、一個負責讓材料變彎。扭曲過程中則多了兩個“工人”，它們帶來了材料性能的極大增量。除了彎曲中的兩個“工人”，還有一個負責扭轉(zhuǎn)、一個負責產(chǎn)生交叉方向的彎曲從而擴大變形空間。四者同步協(xié)作，使材料在強度和彈性（極限變形能力）上實現(xiàn)飛躍。
基于此，研究團隊最終找到了手性扭曲問題的解析最優(yōu)解，建立了優(yōu)美的“手性扭曲理論”，將這類問題的研究向前推進了一大步。
據(jù)介紹，該團隊所建立的手性解析模型能在20%變形范圍內(nèi)準確計算結(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力的前提下通過扭轉(zhuǎn)和面外變形額外存儲一倍以上的能量，從而在相同材料強度約束下大幅提升整體超結(jié)構(gòu)力學性能。
“Ground breaking！”高華健認為，手性扭曲理論揭示了材料和結(jié)構(gòu)高強高能特性的產(chǎn)生機理，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“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，一審的審稿人僅提出完善一些細節(jié)并無需大改，這對很多論文投稿者來說是好消息，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。
當時，方鑫已經(jīng)想通了扭曲的過程中有四個“工人”在協(xié)同“作戰(zhàn)”?！拔业氖中耘で碚撘惨呀?jīng)很準確了，但是描述過程中一些數(shù)學問題的闡述還不夠嚴謹，審稿人可能沒有關注到這些問題，即使不修改論文也能夠發(fā)表?！狈仅握f。
他始終覺得理論的數(shù)學方程還不夠完美，可以再完善一下?！安桓市娜绱?。如果我搞不好這個研究，以后可能很多年里都不會有人去關注和解決這個問題，別人在應用這個理論時可能也會有這樣那樣的疑問。而且完善手性扭曲理論，是推進力學研究的根本問題，更要奠定好基礎?！?span style="display:none">VtO即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com
沒想到，這個“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月。
那段時間，方鑫推掉了很多重要會議。他的很多朋友和同事詫異，方鑫怎么不來開會了。他基本都泡在實驗室，甚至連晚上做夢都在推導數(shù)學公式。有時候白天想問題入迷，同事跟他打招呼都沒注意到。
過了兩周多后，方鑫還是沒有獲得任何新進展?！坝腥藙裎乙院笤僬覚C會解決這個問題，又不影響論文發(fā)表?！狈仅我灿X得太煎熬了，身體根本吃不消，便給自己定了一個為期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，“雖然耽擱了一些時日，用了三個多月完成修改，但最終熬出了好結(jié)果，沒有缺陷、沒留遺憾”。
Nature審稿人評價說，這是一個很棒的研究。“通過平衡結(jié)構(gòu)能量密度、剛度、強度和可恢復應變，解決了工程中的一個基本挑戰(zhàn)，為非線性材料力學和具有不同應用的高焓材料提供了新的見解?！?span style="display:none">VtO即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com
現(xiàn)在，方鑫團隊圍繞構(gòu)建的手性超結(jié)構(gòu)和手性扭曲理論，在相關領域開展應用研究，“期待它們發(fā)揮出更優(yōu)性能”。
相關論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08658-z
本文鏈接：http://m.enbeike.cn/news-8-3291-0.html“做夢都在推導公式”！90后研究員破解百年難題
聲明：本網(wǎng)頁內(nèi)容由互聯(lián)網(wǎng)博主自發(fā)貢獻，不代表本站觀點，本站不承擔任何法律責任。天上不會到餡餅，請大家謹防詐騙！若有侵權(quán)等問題請及時與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將在第一時間刪除處理。
點擊右上角
微信好友
朋友圈
點擊瀏覽器下方“
”分享微信好友Safari瀏覽器請點擊“
”按鈕
點擊右上角
QQ
點擊瀏覽器下方“”分享QQ好友Safari瀏覽器請點擊“”按鈕
