想象一下拉动一块长方形橡胶的长端。它应该变得越来越窄、越来越薄。但是，如果它变得更宽呢？现在，在同样的一端推进。如果橡胶变得越来越薄怎么办？这种违反常识的材料确实存在。它们被称为拉胀，具有一系列独特的特性，非常适合运动鞋鞋垫、炸弹弹性建筑、汽车保险杠和服装。尽管有巨大的潜力，但拉胀产品的上市速度一直很慢。
近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）和芝加哥大学的研究人员希望改变这一现状。研究人员在《NPJ Computational Materials》期刊上发表的一项新研究中，他们宣布他们开发了一种新工具，可以更容易、更快地设计具有拉胀特性的材料。该工具是一种算法，能够实现精确的三维拉胀设计。
NIST材料研究工程师Edwin Chan是这项研究的合著者，他说：“这对拉胀来说是一个巨大的进步。”。“我们实际上可以优化材料，使其具有您想要的任何特定机械性能和行为。”
弹性材料的行为部分由泊松比来描述，泊松比解释了当你向一个方向拉伸或挤压材料时，材料是如何改变形状的。
大多数材料具有正泊松比，这意味着在一个方向上挤压它们将使它们在其他方向上更宽和/或更厚。拉伸它们会使它们更窄和/或更薄。
辅助函数的泊松比为负值，其作用正好相反。
当你冲压非粘性材料时，它会变薄并横向拉胀。当你击打一个胀形物时，材料会聚集在一起，宽度会变窄。在适当的情况下，这提供了更大的抗冲击能力。
例如，如果你击打一个装满水的袋子（就像你徒步旅行时携带的那样），里面的水会从撞击点流走。不过，如果你在打孔时袋子里充满了拉胀泡沫，这种材料会变得更致密、更硬。
这也是人们考虑在建筑和汽车中使用拉胀的原因之一。它们有可能提供更大的保护，防止爆炸和碰撞。在运动鞋鞋垫中，当脚碰到地面时，拉胀凝胶或橡胶泡沫可能会更好地缓冲脚。
在服装方面，事实证明，吸水尼龙、纤维和其他合成材料比传统材料更舒适。由于它们在拉伸时会变宽，因此可以更有效地将压力分布在全身，有可能缓解背部、关节、颈部或肩部的压力。一项关于在文胸背带中使用拉胀材料的研究发现，“拉胀聚酯和尼龙结构表现出显著的压力分布能力。”
NIST和芝加哥大学科学家设计的设计工具是一种“逆向设计”算法，这意味着用户可以输入他们所需的拉胀材料泊松比值。然后，该算法提出了材料的优化结构。
泊松比的另一种表达方式是，它描述了其中一种变化时形状和体积之间的关系。新算法允许微调这种关系，以创建出在自然界中找不到的拉胀材料。
NIST材料研究工程师Marcos Reyes Martinez说：“我们的研究是理论、实验和计算科学共同努力实现新事物的一个很好的例子。”。“有一种方法可以让拉胀症变得更好，这将使它们在我们的日常生活中更加普遍。”
研究人员为该算法及其基本方法及其使用3D打印的实现申请了专利。
文章信息：An autonomous design algorithm to experimentally realize three-dimensionally isotropic auxetic network structures without compromising density. NPJ Computational Materials. Published online May 29, 2024. DOI: 10.1038/s41524-024-01281-y
