长期以来，有序结构一直是合成"超材料"设计的主流法则。这类材料拥有内部结构，使整体材料具备自然界中不存在的特殊性能。
科学家在设计超材料时，通常从单一的构建模块（即"晶胞"）出发，然后将其大量复制粘贴，最终形成一种精确、周期性的微结构，从而提升材料性能。
现在，麻省理工学院与东北大学的一支团队发现，在材料中引入适度的无序性，可以进一步增强其"超"特性。
这项研究今日以开放获取形式发表于《自然》期刊，研究人员提出了一种设计超材料的新方法，其灵感来自树叶的脉络、蜻蜓翅膀上的纹路以及社交网络中的虚拟连接等自然界常见的网络形态。这类新型超材料被称为"富尺度超材料"，其结构大小不一，相互蔓延并连接，形成一个物理网络。
网络理论作为理论构架，数十年来一直被用于描述从城市系统、互联网到神经元连接等各种事物。该团队现已将这种网络设计理念应用于实体材料。他们设计出的超材料并非由重复的晶胞构成，而是由大小各异的微小支撑梁组成，呈现出类似网络那种密集的网状图案。
经过物理测试，这种新材料能够实现大范围可控的刚度，并且在应对突发冲击时，表现优于传统的有序超材料。它们还能够缓冲并保护嵌入材料内部的脆弱物体。
研究团队利用一种算法设计材料，该算法能针对所需的材料特性，生成最优的微结构网络。这种方法可用于设计具有抗冲击、吸能特性的坚韧材料，如头盔和护甲，也可用于制造声学透镜——即微结构能够高效聚焦声波或振动的材料。
"这是超材料设计思路上的一次全新转变，"该研究论文作者、麻省理工学院机械工程副教授卡洛斯·波特拉说，"解锁这种网络化设计方式，真正让我们能够构想出以往无法实现的新型微结构和力学优势。"
该研究的麻省理工学院合著者包括安德鲁·陈、穆罕默德·查拉拉和贾伊娜·瓦德瓦，以及东北大学的查巴·博特、丁婷·高和阿尔伯特-拉斯洛·巴拉巴西，还有荷兰乌得勒支大学的尼克·穆伊。
超越有序
网络科学是一门研究复杂网络、网络中的节点与连接，以及这些元素之间以及与整体网络之间关系的学科。网络科学已被用于描绘和刻画各种各样的系统，从自然界中的食物网、进化树、神经连接，到金融市场、细胞网络、社交网络乃至互联网。
这项新研究的合著者阿尔伯特-拉斯洛·巴拉巴西，一直走在网络科学研究的最前沿。作为东北大学的物理学教授，巴拉巴西探索了众多学科领域中复杂网络的结构，研究网络可能在哪些地方表现出脆弱性，以及如何使其变得更加稳健。
巴拉巴西的大部分工作涉及概念性网络，即映射到现有系统上的网络。最近，他产生了一个想法：网络科学能否被用来构建一种具有特定期望性能、而这种性能在自然界中并不存在的物理材料？
为此，巴拉巴西与波特拉展开了合作，后者在麻省理工学院的研究团队专注于超材料领域。研究人员从零开始设计材料，通过精确的图案化微结构来整体提升材料性能。与该领域的其他研究者一样，波特拉此前一直使用单一晶胞构建超材料，将这种构建模块以方形晶格结构和蜂窝状结构等图案重复排列。
波特拉发现，在许多情况下，这种有序图案确实能提升材料的强度和韧性。但如果这些材料被刺穿或出现裂纹，其余部分会迅速发生屈曲并失效。他解释说，这是因为材料的内部结构完全一致；如果材料中某一区域发生形变，周围相似的晶胞也会随之发生相同的形变。
"多年来，我们一直在研究周期性、有序的微结构，由此发现它们存在很多局限性以及非理想的响应方式，比如这种局部化效应，"波特拉说，"我们希望突破这种固有观念，利用网络科学来设计这些材料。"
逐线构建
该团队开发了一种算法，用以在物理材料的约束条件下虚拟生成一个梁结构网络。在将网络科学应用于互联网等领域时，研究人员无需考虑物理约束，比如限制连接的数量、密度或交叉方式。但在实体材料中，梁的数量、粗细以及梁与梁之间的间距都变得至关重要。
为了设计一个实体网络，团队的算法首先会在一个代表最终材料尺寸的区域内，随机绘制一个坐标点。程序接着以随机角度画出一条穿过该点、贯穿整个空间的直线。随后，程序会重复这一过程，在另一个随机坐标处绘制第二个点，并以另一个随机角度画出穿过该点的直线，直到这条第二条线到达边界——无论是整个区域的边界，还是第一条已绘制直线的边界。这一过程不断重复进行，每次绘制出的线条逐渐变得更短、更细。最终生成的材料呈现为一个由众多不同尺寸交叉梁组成的密集网络。
科学家可以通过改变起始线条的粗细，以及这种粗细随后续每条线条绘制而递减的速度，来调整程序生成的网络类型。研究团队发现，仅通过调节这两个参数，就能生成种类繁多的网络结构。他们随后进行了模拟实验，以预测通过不同程度地调整其中一个或两个参数，将如何改变材料的刚度及其他物理性能。
"我们发现，仅仅通过改变这两个决定网络图案生成方式的参数，就真的能够调节材料的刚度，"波特拉说。
随后，团队根据虚拟生成的网络图案，制造出带有相应微结构的实体材料。他们采用3D打印技术，将聚合物沉积成由微小互连梁组成的图案。制成的每个样品都是一块大小约为信用卡的正方形，其内部梁的尺度从微米级到厘米级不等。
研究人员对样品进行了多种物理测试，比如从高处将重物砸向样品，以及逐步加大力度挤压样品。他们记录下材料的响应情况，并与传统晶格结构和蜂窝结构超材料的样品进行了对比。结果发现，受网络结构启发设计的样品在抗压缩和抗冲击方面表现更为出色。
"由于这些网络化材料中蕴含如此丰富的尺度层次，如果某一部分发生失效，其周围存在的坚固结构网络能够防止整个材料发生灾难性破坏，"波特拉说，"它在分散损伤和吸收能量方面效率更高。"
作为另一项演示，研究人员设计了一种材料，其灵感来自柚子厚实果皮中密度渐变的微结构。他们设计的这种材料边缘由更为密集的梁网络构成，并展示了它能够缓冲并保护嵌入在网络中心的脆弱物体。
"这项工作为特性在极宽范围内变化的材料提供了一种设计框架，"未参与该研究的材料专家、伦敦帝国理工学院航空航天系副教授陈天（音译）表示，"这可能会催生出下一代材料，其物理表现前所未有，适用于任何需要承重、吸能或控制振动的结构。"
这项工作部分得到了美国国家科学基金会"设计材料以革新和推动未来发展"（DMREF）项目的支持。
