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生物材料显示出几何上不规则且功能有效的微结构。了解不规则性在确定材料特性中的作用为设计具有卓越功能的材料提供了一条新途径，例如对缺陷不敏感、增强的冲击吸收和应力重定向。
2022年8月25日，加州理工学院Chiara Daraio团队（北京大学刘珂为第一作者）在Science在线发表题为“Growth rules for irregular architected materials with programmable properties”的研究论文，该研究使用一个受增长启发的程序来揭示基本的概率结构-属性关系，该程序唤起了自然系统中随机架构的形成。这个虚拟增长计划对有限数量的基本要素强加了一套本地规则。它生成的材料从非常有限的初始资源开始，在功能特性上表现出很大的变化，这与生物系统的多样性相呼应。该研究通过在不规则材料的基于图形的通用表示中独立地改变微观结构的拓扑结构和几何形状来确定控制机械性能的基本规则。
另外，2022年8月24日，北京大学材料科学与工程学院庞全全与麻省理工学院Donald R. Sadoway团队合作在Nature在线发表题为“Fast-charging aluminium–chalcogen batteries resistant to dendritic shorting”的研究论文。该研究介绍了一种双向快速充电的铝-硫属元素电池，该电池使用由NaCl-KCl-AlCl3 组成的熔盐电解质运行。这种化学电池与其他铝电池的区别在于选择正极元素硫属元素电极而不是各种低容量化合物配方，以及选择熔盐电解质而不是诱导高极化的室温离子液体。研究表明，铝和硫属元素之间的多步转换路径允许在高达 200C 的温度下快速充电，并且电池在非常高的充电率下可以承受数百次循环而不会形成铝枝晶。重要的是，对于可扩展性而言，铝硫电池的电池成本预计将低于当前锂离子技术的六分之一。这种化学成分由地球上丰富的元素组成，可以在略高于水沸点的适度高温下进行合乎道德的采购和操作，具有低成本、可充电、耐火、可回收电池的所有必要条件，这种新型电池在未来有望成为电池主流。
材料的特性取决于它们的化学成分和微观结构的几何形状。在精心设计的亚尺度微结构的支持下，架构材料已被建议用于光学、电磁学、声学和机器人学中的应用。在力学中，建筑材料被设计成具有负热膨胀、负泊松比、超高强度重量比、可调破坏载荷、消失剪切模量和剪切法向耦合。为了减少在近乎无限的空间中设计结构的复杂性，人造建筑材料大多是通过选定几何图案的周期性镶嵌来设计的。这些图案要么是从有限数量的已知几何形状（例如生物材料、结晶固体和艺术）中凭经验得出的，要么是在离散为像素或体素的边界框内通过计算生成的。
具有周期性微结构的材料是建筑材料领域的特例。天然材料通常以不规则和异质的微观结构为特征，例如木材、珍珠母、昆虫巢穴或人骨。它们具有独特的特性，例如某些甲虫异常白的鳞片或对蛋白质扰动的功能稳定性。生物材料的几何不规则性是自组织生长的自然结果，它通过遵循简单的局部规则而没有集中计划的分布式随机构建过程展开。
不规则结构材料的虚拟生长过程示意图（图源自Science ）
了解几何和拓扑在不规则微结构中的独立作用为先进工程材料的设计和制造提供了机会。然而，当前用于周期性系统的几何学描述导致在区分特定结构特征或它们的重复对给定功能的贡献时模棱两可。这强调了开发工具来定义不规则材料的空间特征的重要性。
最近，已经开发出计算方法来设计和表征不规则的微结构。例如，随机拉胀桁架晶格的设计揭示了泊松比和晶格连通性之间的重要联系。然而，这些工具并没有提供一个通用框架来描述建筑材料的几何形状，例如，因为它们的描述符中不包括周期性设计。
该研究使用一个受增长启发的程序来揭示基本的概率结构-属性关系，该程序唤起了自然系统中随机架构的形成。这个虚拟增长计划对有限数量的基本要素强加了一套“本地”规则。它生成的材料从非常有限的初始资源开始，在功能特性上表现出很大的变化，这与生物系统的多样性相呼应。该研究通过在不规则材料的基于图形的通用表示中独立地改变微观结构的拓扑结构和几何形状来确定控制机械性能的基本规则。
参考消息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn1459
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