液态金属般的新材料打造出可在刚性与流动间切换的"订书钉颗粒"体系

科罗拉多大学博尔德分校工程团队近日展示了一种颇具科幻感的新型材料：由特殊形状的小颗粒构成、能在“坚硬整体”和“松散流体”之间自由切换的纠缠颗粒系统。研究人员的灵感竟然来自一把普通的办公订书钉——当大量订书钉纠缠成团，被拉扯时会像一个整体那样抵抗外力，而在特定方式振动或摇晃下，又会迅速松散，坍塌成一堆彼此分离的金属条。

这一现象促使研究人员重新思考材料设计路径：不用传统的整块固体或化学键合，而是从几何形状出发，用大量可互相“勾连”的小颗粒，通过物理纠缠构建整体结构，同时又能在需要时快速解体。“我们已经在构型和几何上玩了很多年，但直到最近才开始认真研究互锁、纠缠颗粒，”该项目负责人、先进材料与生物启发实验室负责人Francois Barthelat教授表示，“这种体系能展现出一组非常独特的性能组合，我们相信它在工程上有很大的想象空间。”

这项发表于《应用物理学杂志》的研究将这种现象称为“纠缠”（entanglement）——粒子彼此缠绕、形成结构连接的过程。类似的原理在自然界并不陌生：鸟巢依靠枝条和纤维交织获得强度，骨骼则依赖刚性矿物与柔软蛋白质之间的耦合来实现力学性能的平衡。工程上的难题在于：如何以可控方式在人工材料中重现这种“互锁”的效果。

Barthelat团队认为，关键在于粒子的几何形状。“以沙子为例，沙粒表面光滑、整体呈凸形，颗粒之间几乎无法产生真正的互锁，”博士生孙裕汉（Youhan Sohn）解释说，“但如果我们改变‘一粒沙’的形状，其宏观行为和力学性能会发生剧烈变化，包括与其他颗粒纠缠、互锁的能力。”

在意识到形状这一关键因素后，研究人员利用蒙特卡洛模拟这一计算方法，预测不同形状颗粒之间的相互作用，并寻找可以产生最高纠缠度的几何设计。随后，他们通过一系列“抓取测试”（pickup tests）来验证模拟结果，观察这些新设计的颗粒在实际装配、提起和振动中的表现。

实验最终给出一个出乎意料却极其简洁的答案：类似订书钉的“两腿”颗粒表现出最强的互锁倾向。用这种形状的大量颗粒堆积后，体系既能紧密纠缠形成整体，又能在一定条件下松脱分散。

这一设计带来几项重要性能优势，其中之一是罕见的“高强度与高韧性并存”。在传统材料中，高强度往往伴随着脆性增加，而高韧性常常意味着强度下降；而这种由“订书钉颗粒”构成的纠缠颗粒材料，却在拉伸强度和韧性两方面同时表现出色。博士生Saeed Pezeshki指出：“我们的纠缠颗粒材料利用这种订书钉式粒子，在保持高强度的同时展现出了优异韧性。”

另一大优势在于体系的可快速组装与可逆拆解。研究团队通过改变施加在颗粒堆上的振动模式来精细调控颗粒之间的互锁程度：轻柔、低强度的振动有利于颗粒缓慢“钻入”彼此之间的缝隙、形成更紧密的纠缠，使整体强度提高；而较强烈的振动则会打乱原有接触状态，使结构解体，颗粒重新变成可自由流动的散粒状态。

“这是一种非常奇特的材料，它显然不是液体，但也不能简单归类为固体。”Barthelat说，“这为工程设计打开了一扇新门。真正用手去操控这样一团纠缠颗粒时，会有一种既陌生又超现实的感觉。”

在潜在应用方向中，可持续建筑是一个重要场景。研究团队设想，未来的建筑和桥梁可以部分采用这种纠缠颗粒材料作为结构或填充单元：在服役期内，它们具备良好的承载能力；而当建设任务完成或结构寿命终止时，又可以整体拆解，实现构件或颗粒的重复利用与循环。

机器人技术则是另一条可能路径。Pezeshki透露，他与其他学生讨论时认为，这种材料概念可以延伸至“群体机器人”（swarm robotics）：大量小型机器人通过形状和机构设计实现互相纠缠，在执行任务时组合成更大、更复杂的结构；任务结束后再彼此解缠，各自分散开来执行新的指令。

Barthelat则用大众熟悉的科幻形象加以比喻——类似电影《终结者2》中的液态金属机器人T-1000：可以在狭小空间中“液化”成流体状态穿过障碍，又能在另一侧重新凝聚为完整形态。“当然，这种技术目前成本很高，要实现大规模应用仍有不小挑战，但这是许多研究者都在关注的方向。”他说。

目前，团队仍在持续优化这一材料体系，尝试更复杂的颗粒设计，例如增加额外突出的“腿”或“钩子”，让颗粒有点类似衣物上常见的带刺蒺藜。这类多突脚结构有望进一步增强纠缠效果，提高整体结构的稳定性和可调性。