国防科大Nature成果，“90后”方鑫研究员为一作兼通讯

许多应用都需要具有高可恢复弹性能量密度（即焓 φ ）的材料，但这需要高模量（ Es ）、高强度和大可恢复应变（ ε 极限）的组合。碳纳米管在纳米尺度上达到极限，但在宏观尺度上实现高焓仍然具有挑战性。超材料可以通过调整其拓扑和变形模式（包括弹性屈曲）来提供非凡的刚度、形状控制和波操纵。为了获得更大的能量存储，需要载荷 - 变形曲线上更高但更宽的屈曲平台。然而，在现有设计中，实现较大的可恢复应变伴随着平台应力的降低，即使对于张拉整体晶格也是如此。这种限制源于以弯曲为主的屈曲模式，这种屈曲模式限制了宏观应力，同时产生了导致失效的较大局部应变。

德国卡尔斯鲁厄理工学院 Peter Gumbsch 教授、国防科技大学方鑫研究员等研究人员 从可自由旋转的手性元胞构建了高焓弹性超材料。与现有的非手性晶格相比，未优化的手性超材料同时保持了高刚度、承受了更大的可恢复应变、提供了更宽的屈曲平台、提高了 5-10 倍 的屈曲强度、提高了 2-160 倍的焓值 以及提高了 2-32 倍的单位质量能量 。这些改进源于由手性引发的扭转屈曲变形，而传统超材料中不存在这种变形。这种变形模式可以存储大量额外能量，同时对定义材料失效的峰值应力影响极小。我们的研究结果确定了一种机制，并为具有高机械能存储能力的超材料和结构的设计提供了见解，这是一个广泛受到工程界关注的基本而普遍的问题。

相关研究成果2025年3月12日以“ Large recoverable elastic energy in chiral metamaterials via twist buckling ”为题发表在 Nature 上。

手性扭转屈曲机制 ：创新性地提出了一种手性扭转屈曲机制，通过在手性超材料中引入扭转、压缩和弯曲的耦合变形，实现了比传统非手性超材料更高的可恢复弹性能量密度。这种机制下的变形模式包括扭转、压缩和弯曲，与传统屈曲模式不同，能够存储更多的能量，同时对峰值应力的影响较小，从而提高了材料的承载能力和能量存储能力。

材料性能的显著提升 ：与现有非手性晶格相比，未优化的手性超材料在保持高刚度的同时，能够承受更大的可恢复应变，拓宽了屈曲平台，将屈曲强度提高了 5-10 倍，焓值提高了 2-160 倍，单位质量能量提高了 2-32 倍。手性超材料在承载强度、能量存储密度和质量密度等方面均表现出色，其性能提升源于扭转屈曲变形，这种变形模式在常规超材料中是不存在的。