张开的孔洞结构相（上图），闭合的孔洞结构相（下图）。梁旭东供图
漫画《海贼王》中，路飞的橡胶手臂能在拉伸后获得巨大能量，在回弹瞬间捶飞对手。
现在，漫画竟然变成了现实！科研人员已经创造出一种超材料，将其拉伸到一定程度时，会激活储存在材料里的能量，一松手，爆发力惊人。科研人员还可以对这种材料编程，从而按需设计和控制超材料。
这种超材料的创造者，是哈尔滨工业大学（深圳）副教授梁旭东及其合作团队。近日，相关成果发表在美国《国家科学院院刊》上。
论文评审专家认为，“这项工作是高质量的，并对力学超材料领域发展作出了创新的贡献。”
超材料配方：磁铁+橡胶
很多人小时候玩过橡皮筋，当用力拉伸橡皮筋并突然松开时，它会瞬间弹出去。想象一下，现在有种超级橡皮筋，当把它拉伸到某个节点再松手时，它会飞得超级远。
这个假想的超级橡皮筋是该团队正在创造的一种“磁—弹性力学超材料”。这个超材料有两个主角：磁铁和橡胶。
原本不相干的两种材料，结合到一起会产生怎样的“魔力”呢？
“我们用激光切割机把橡胶‘挖’出特定的孔洞结构，在孔洞里嵌入磁铁。当拉伸该材料时，利用一种称为‘相变’的物理特性，能吸收与释放巨大的能量。”论文第一作者兼通讯作者梁旭东告诉《中国科学报》。
当材料从一种状态转变到另外一种状态时，就会发生“相变”。比如固、液、气3种状态的变化就是非常典型的“相变”。当冰融化成水，或水变成水蒸气，就得吸收很多能量；而让水凝固成冰，则要释放很多能量。冰和水、水和水蒸气，都是一种物质的两种“相”。
不过，上述这些“相变”一般发生在原子与分子尺度，想要捕捉和操控它们比较困难。
这项研究则在宏观层面进行，所选的材料并无过人之处。实验用的磁铁直径为3毫米，和橡胶一起，购买于普通商店。正所谓“平凡铸就伟大”，如此常见的材料，竟然创造出非凡的超能力。
“相变”正是超能力的核心，来自于两种能量的叠加效应。
梁旭东解释道，磁铁能相互吸引、排斥，嵌入橡胶后，相互吸引的磁铁会让孔洞闭合，相互排斥的磁铁则让孔洞打开，这是磁场的能量。用力拉伸橡胶时，橡胶本身会发生机械变形，储存一些弹性能。把这两种能量叠加，就会转变成超材料的动能，释放出更强的爆发力。
从大自然中获得灵感
“我们从一些能做出闪电般快速反应的生物中获得了灵感，比如捕蝇草能快速闭合，使飞虫根本来不及逃脱。”论文共同通讯作者、美国马萨诸塞大学阿默斯特分校高分子系教授Alfred J. Crosby说。
梁旭东用螳螂虾举例。“螳螂虾是一种非常神奇的生物，它的前螯能在水底环境大阻力下，仅用0.01秒就加速到每秒30米的速度，像锤子一样敲碎贝壳或击退捕食者。”
这种短时间非常高速的爆发运动，是研究团队基于软物质在高速变形条件下的力学研究想要达到的实验效果。
剖析实验原理是为了更好掌控它，为将来的应用奠定基础。经过反复实验，他们发现改变三个方面就能控制“相变”——磁场、孔洞的排布和大小、橡胶材料的选择。
为此，他们专门开发了一种可以对材料进行编程的数学模型，从而按需设计和控制“相变”。“你可以制造想要的任何类型的‘相变’材料。”Crosby说。
这大大拓宽了材料的应用前景，比如与软体机器人相结合。“我们取得的成果可以用来制作软体机器人的能量单元，通过储存能量和输出能量让软体机器人产生高速运动，就像螳螂虾的前螯一样秒发猛力，瞬间敲除血栓。”梁旭东说。
除了能量释放方面的应用，其也能在防护材料领域大有作为。
汽车制造商非常重视汽车防撞结构的制作，当汽车发生猛烈碰撞时，也可以通过超材料的“相变”原理来减缓冲击、吸收能量，化解大部分冲击能量，从而达到保护车内乘客的目的。
这项“本领”还能用于制作新型安全头盔，甚至航母的阻拦索工具。
学科交叉的“狂欢”
梁旭东2010年毕业于中山大学理论与应用力学专业，随后保送到清华大学攻读力学专业硕士研究生，2013年取得硕士学位。
随后，他赴美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校求学，所学专业为机械工程。这时的梁旭东更多专注于固体力学，并未涉足在高速变形下的力学超材料研究。直到在美国马萨诸塞大学阿默斯特分校进行博士后研究，他的研究视界一下子打开了。
评审专家在对比了前人利用磁铁调控力学性能的工作后表示，“之前的研究并没有呈现类似这篇文章的系统理论分析的深度”。
谈及这项研究成功的“秘笈”，梁旭东认为是学科交叉。从求学经历来看，一路走来，梁旭东的所学专业一直在发生变化。他逐渐意识到，只有打破学科间的桎梏，形成知识的汇聚，才能拓宽眼界与视野。
“学科交叉是科研工作中非常幸运的一件事。”梁旭东说，“不同学科、不同领域、不同思想碰撞出的火花，才是最绚烂的。学科交叉的‘狂欢’也是我做科研的启发和驱动力。”
相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2118161119