超材料，一种具有自然界不存在的新颖性能的人工合成材料，越来越引起学术界的广泛关注。在不违反物理规律的前提下，这种材料可实现各种难以想象的应用，突破寻常的自然规律----超导、自我修复、太阳能电池、隐形衣等等。日前又一种超材料因其神奇的受力扭转性能而登上Science封面。
寻常的材料在单向受力时，会拉伸、收缩、侧向形变等，我们熟悉的弹性模量和泊松比正是描述这种现象的物理量。1987年RODERIC LAKES就因研发负泊松比的超材料而颠覆寻常人的认知：这种泡沫材料拉伸时两侧会膨胀而不是收缩。而相比于膨胀，扭转似乎更不可能发生，因为扭转需要与受力方向相同的扭矩才能实现。而卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的研究员Tobias Frenzel, MuamerKadic，Martin Wegener联合发表的一篇《science》文章就介绍了他们最新研发的受力扭转超材料。
这种超材料由具有手性的亚毫米重复单元构成，每个单元是一个花丝立方体。研究人员使用数值模拟来确定单元的立方形状，然后在3D激光打印的聚合物中构造其结构。当给定的单元格被压缩时，立方体的每个面上的环都会旋转，从而拉动每个单元的角落，使整体围绕自身的轴旋转。
图示：来自上面的力通过结构网转移到垂直的环形结构，环形旋转拉动立方体水平表面的四周。
该研究的第一作者Frenzel解释说：“首先，我们使用计算机模拟出一种材料设计，其具有之前没有描述过的机械特性。我们的计算表明，用一个复杂的手性结构：一种镜像和物体本身不一致的性质，就像我们的左手和右手一样，能达到预期的效果。”
采用KIT建立的三维微型打印方法，该团队生产出不同尺寸、强度和数量的立方体结构。立方体的边缘长度在100到500微米之间。他们建造了4至500个立方体单元构成的高度为2毫米的同尺寸塔楼。为了检验他们的理论，他们制造了相同的非手性立方体塔，以作为对比。在实验中，受力时手性立方体结构的塔可以围绕自己的轴旋转。非手性结构不显示此性质。与此同时，研究人员发现，随着单元的数量增加，塔的刚度增加（弹性模量增加），扭转效果会减弱。4个单元时扭曲最大（长度上每缩短2%时,围绕轴线可旋转2°），增加至500个单元时扭曲效果减少了一半。这跟经典的柯西连续介质力学相反：经典中材料扭转严格为0，而且刚度与尺度无关。而非手性塔随着单元数变化呈现出0扭转和恒定的弹性模量，严格遵守连续介质力学。
图示：由不同数量单元构成的同尺寸手性塔，随着单元数的增多，旋转性会减弱
（N × N ×2 N）×2 的塔测量的弹性模量和扭转角随着N的变化曲线
为了解释观察到的现象，需要将行为映射到广义有效介质中描述，即考虑到材料单元可以相对晶格旋转或变形的事实（一般材料不具有这种性质），研究员门用广义线性弹性方程代替了传统的弹性方程。
在该情况中，随着单元数N的无限增加，直到无穷，传统的柯西连续介质力学将恢复。该研究十分具有启示意义，可以选择广义弹性张量的特定分量来获得想要的行为，特别是包括柯西弹性以外的自由度。
根据Tobias Frenzel的说法，实际应用还有很长的路要走。研究人员提出的一个潜在的应用是建造被动或主动的结构来引导力场或机械波绕过障碍物，从而缓冲建筑周围的地震波。
参考文献：Three-dimensional mechanical metamaterials with a twist，Tobias Frenzel,MuamerKadic，Martin Wegener
Science 24 Nov 2017:
Vol. 358, Issue 6366, pp. 1072-1074
DOI: 10.1126/science.aao4640
