物质的边界在哪里？本周，《Science》封面带来了一个意想不到的答案：一种既像流体又像固体的新型材料。加州理工学院的研究团队用“链甲”的理念重塑了材料科学，创造了一种全新3D链状结构材料——PAM（Polycatenated Architected Material，多链连接结构化材料）。这种材料能在应力下自由切换物理状态，既可以像液体一样流动，又能在压力下变得坚硬如固体。这一发现彻底颠覆了我们对晶体和颗粒材料的传统认知。
链甲，但3D版。
中世纪的链甲通过金属环的连接为士兵提供灵活的保护。而PAM正是受这一概念启发，将环形或笼状颗粒互相交织，构建出稳定的三维结构。但PAM不仅停留在二维平面的“升级”，它独特的第三维度打开了结构设计的无限可能：单元可以是多面体、环簇或笼状结构，通过不同几何形状的创新组合，带来了更多复杂且可控的力学特性。研究团队用高精度3D打印技术制造PAM，使用了acrylic（丙烯酸树脂）、尼龙和金属等材料。尤其值得一提的是，PAM的力学性能不依赖于材料本身，而是来源于其独特的几何结构设计——这是对材料科学设计理念的一次重要拓展。
- 在剪切应力下，PAM的颗粒滑动，表现得如同“蜂蜜”一般，流动自如。
- 在压缩应力下，这些颗粒则被挤压得紧密排列，“锁住”整个结构，变得像晶体般坚固。
更令人惊讶的是，PAM的行为并不止于此。它是一种独特的非牛顿流体，在不同应力条件下展现出剪切变稀和剪切增稠的双重特性。
- 变稀：缓慢施加剪切力时，材料内部颗粒滑动顺畅，流动性增强。
- 增稠：快速剪切时，内部结构相互锁定，材料变得粘稠甚至坚硬。
这种“可编程”的动力学行为跨越了微观和宏观尺度，展现了PAM在材料响应领域的强大适应性和设计潜力。PAM的设计框架极具普适性。研究团队从晶体结构的拓扑设计出发，将其转化为三维多链网络，通过改变颗粒的几何形状与连接方式，达成对材料力学性质的精准调控。这让人想起了网状化学（Reticular Chemistry）在多孔材料领域的开创性突破。网状化学通过节点和连接单元的化学设计构建了MOFs（金属有机框架），开辟了“自下而上”设计材料的新篇章。而PAM则结合机械键，把这一理念带入力学领域，基于几何单元和拓扑连接重构材料的设计逻辑，为架构材料领域提供了一个通用、可扩展的理论基础。PAM的普适性使其成为跨学科创新的理想平台——从智能材料到形变装置，这一体系可能带来一场革命。研究还发现，PAM在微观尺度下的性能同样惊艳。当受到静电刺激时，PAM能够克服重力，快速实现形态变换（shape morphing）。
在不到0.1秒的时间内，静电力促使PAM迅速展开或收缩，完成从压缩态到张开态的切换。这一特性在航空航天领域展现出独特价值，例如可控展开天线和轻量化太阳能帆，都可以借助PAM实现高效部署与精准控制。
第一与通讯作者周文杰博士的学术旅程为这一跨学科创新提供了重要背景。他在美国西北大学读博期间师从诺贝尔化学奖得主Fraser Stoddart教授，研究如何通过几何设计控制纳米颗粒的自组装。他的博士工作一作发表在Science、Nature、Nature Materials等顶刊，成功构建了DNA编码的准晶超结构和新型胶体晶体。但他并不满足于纳米尺度的局限性。在Daraio教授的实验室，周文杰用两年的时间跨界机械工程，创建了架构材料领域的全新方向。他表示：“机械键的概念已经在分子化学中取得了非凡成果，但我想把这种连接逻辑带到更大的尺度中，连接化学和力学，设计出新的材料体系。”PAM的潜力正在不断被挖掘。研究团队计划利用人工智能算法加速PAM设计优化，并探索其在智能系统中的实际应用。从可变形软体机器人到智能能量吸收装置，PAM的出现或将定义下一代智能材料的标准。W. Zhou et al., 3D polycatenated architected materials. Science 387, 269 (2025).DOI: 10.1126/science.adr9713https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9713
