研究背景
高可恢復彈性能量密度的材料（即高焓材料）因其在機械能量儲存、承載能力、抗沖擊性和運動靈活性等方面的優異性能，廣泛應用于輕量化、微型化和多功能結構等領域。與傳統的材料相比，高焓材料具有更高的能量儲存能力，能夠在滿足結構需求的同時，提供更加高效的能量轉換和利用。然而，要實現高焓材料，面臨的挑戰在于如何平衡高剛度、高強度和大可恢復應變這些互相矛盾的性能需求，這也是當前高焓材料研究中的一大難題。為了解決這一問題，國防科技大學方鑫研究員、清華大學高華健院士、加州大學圣巴巴拉分校材料系的Matthew R. Begley教授、德國卡爾斯魯厄理工學院Peter Gumbsch教授等合作在“Nature”期刊上發表了題為“Large recoverable elastic energy in chiral metamaterials via twist buckling”的最新論文。該研究設計了自由旋轉的手性超單元，并利用手性結構的扭轉屈曲變形，成功實現了比傳統超材料更高的焓值和更優的機械性能。與現有的非手性格柵材料相比，這種手性超材料能夠在保持高剛度的同時，顯著提高可恢復應變，且具有更寬的屈曲平臺。該材料不僅提高了屈曲強度5至10倍，還使得單位質量能量增加了2至32倍。通過引入扭轉屈曲變形，手性超材料能夠在能量儲存上表現出顯著的優勢，同時對材料的破壞應力影響最小，從而增強了其穩定性和耐用性。這些創新性的研究成果為設計高效能機械能量儲存超材料和結構提供了新的理論依據和實踐路徑。
研究亮點
（1）實驗首次構建了高焓彈性超材料，通過自由旋轉的手性超單元設計，成功克服了高剛度、高強度和大可恢復應變之間的沖突，得到了具有優異機械能量存儲能力的材料。（2）實驗通過設計手性結構并引入扭轉、壓縮和彎曲變形，實現了比傳統超材料更大的可恢復應變，并保持了高剛度。實驗結果表明，手性超材料的焓值提高了2至160倍，單位質量能量提高了2至32倍。（3）實驗通過引發手性結構中的扭轉屈曲變形，獲得了比現有非手性格柵更寬的屈曲平臺，提高了屈曲強度5至10倍。這一新型屈曲變形模式顯著增強了材料的能量儲存能力，同時對峰值應力影響最小，從而避免了材料的破壞。
圖文解讀
本文提出了一種策略，通過在手性超單元中引入扭轉、彎曲和壓縮，形成獨特的手性扭轉屈曲，從而創造具有高焓的超材料。與各種現有的非手性格柵相比，非優化的手性超材料在保持高剛度的同時，實現了更大的可恢復變形、5–10倍的屈曲強度、2–160倍的焓值和2–32倍的單位質量能量，且在材料強度的限制范圍內。這些性能可以通過使用更密集的手性臂排列進一步增強。高焓超材料在輕量化和微型化設計、彈性能量儲存、抗沖擊、扭轉調制和驅動等方面具有潛在應用。扭轉屈曲平臺還在重負荷下提供了低動態剛度，為低頻振動隔離器提供了可能性。 Fang, X., Yu, D., Wen, J. et al. Large recoverable elastic energy in chiral metamaterials via twist buckling. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08658-z
