北京
2026年7月，南極熊獲悉，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）軟材料實驗室報告稱，他們研制的雙網絡顆粒彈性體（DNGE）同時具備很強的抗斷裂性和抗疲勞性，打破了材料科學中韌性和疲勞強度不可兼得的常規。DNGE最初為3D打印設計，測試中斷裂韌性達到同類彈性體的15倍，抗疲勞強度達到3倍。
△這項研究相關成果已發表在《Science Advances》期刊上，研究題目為“抗疲勞、高韌性的雙網絡顆粒彈性體”（傳送門）
韌性與疲勞：長期困擾材料的二選一
材料科學里一直有個老難題：韌性好的不耐疲勞，耐疲勞的不夠韌。DNGE把這個二選一給破了。
SMaL團隊于2024年首次推出DNGE，一種柔性橡膠狀材料，由微觀彈性體顆粒組成，這些顆粒通過更柔軟的彈性體網絡連接在一起，被設想為用于打印具有精確調節機械性能結構的“油墨”。
SMaL負責人Esther Amstad說：“最初我們主要關注材料的加工性能，后來發現這種顆粒狀結構本身就很堅韌。這種韌性很大程度上來自重復的能量耗散機制——材料可以反復吸收能量而不發生不可逆斷裂。”
△雙網絡顆粒彈性體（DNGE）
兩種網絡分擔應力，裂縫走彎路
Amstad將這種材料能夠繞過常規權衡歸功于異常多樣的內部結構：“兩種不同的網絡——一種由顆粒狀彈性體構成，另一種由柔軟的彈性體構成，它們彼此分擔機械應力，讓材料整體強度更高。”
測試結果也印證了這一點：優化后的DNGE斷裂韌性可達同類彈性體的15倍，抗疲勞強度可達3倍。當材料被拉伸時，應力會從剛性微粒轉移到周圍較軟的區域，聚合物鏈滑動重排而不是斷裂，反復釋放應變能，把永久性損傷降到最低。
顆粒狀布局還能改變裂縫走向，裂縫不直著跑，而是在顆粒間較軟的區域蜿蜒前行，這種曲折路徑減緩了裂縫蔓延速度。
△雙網絡顆粒狀彈性體
這項研究說明，為先進3D打印技術構建的架構，也可以成為制造更持久耐用軟材料的藍圖。潛在應用包括軟體機器人、柔性電子產品和生物醫學設備。這些產品都需要在較長使用壽命中承受反復壓力和變形。
團隊目前正以可持續性為目標改進材料，探索可生物降解彈性體以及用回收原料制成的版本。Amstad表示：“目標是在不影響機械性能的前提下采用更可持續的材料，同時讓任何擁有商用3D打印機的實驗室都能用上。”
△DNGE、DN和SN系統的示意圖
幾個繞不開的局限
不過，這種方法存在明顯的權衡取舍，其中最主要的是剛度。添加軟微粒只能略微提高彈性體的剛度，因此DNGE最終比它們在韌性方面優于的本體雙網絡彈性體更軟。打印多材料復合材料可以恢復一些剛度，但只是部分恢復，作者表示，進一步提高剛度仍是未來的研究方向。
耐久性也有極限。DNGE材料之所以具有抗疲勞性，是因為它能夠重復地耗散低損傷能量，但這僅適用于中等應變。如果拉伸材料力度過大，剛性微粒內部的共價鍵就會斷裂，這種損傷會不斷累積，最終導致部件失效。反復循環也會導致材料升溫，這在某些工程應用中是不理想的，盡管在遠高于材料玻璃化轉變溫度的測試中，這種影響仍然有限。
另外，制造過程本身也存在一些限制。固化紫外光對顆粒狀油墨的穿透深度有限，團隊把樣品厚度控制在5毫米左右，確保固化均勻；做更厚的部件需要換一套方法。
總的來說，DNGE目前剛度還不夠，厚度也有限，離工業級應用還有距離。但EPFL這個團隊做的事挺清楚，他們證明了彈性的材料不一定不耐疲勞，韌性和抗疲勞可以同時做到。材料科學里那個老問題，他們給出了一個可行的方向。下一步就是怎么把剛度提上來、把厚度做上去，讓這東西從實驗室走到實際設備里去。
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