近日，澳大利亚莫纳什大学的Yuri Estrin教授于Taylor & Francis旗下国际期刊Materials Research Letters 在线发表了题为“Architecturing materials at mesoscale: some current trends”的主编特邀综述文章。作者结合既有研究工作，概述了6项介观尺度构筑的代表性材料并详细介绍了它们的设计思想及原则，包括拓扑互锁材料、构筑晶格材料、生物仿生材料、仿岩石材料、异质结构材料，以及团簇和纳米颗粒组装材料。作者概述了这几类材料结构设计的主要成果且展望了该领域未来的发展。这篇综述不仅促进对新型材料构筑设计原则以及方法的理解和研究，而且为人类工程实践所需材料的可持续发展提供了极具潜力的解决方案。

材料的性能在很大程度上受其结构的制约。和微观调控材料结构的相组成和原子组成的传统方法不同，通过设计与构筑内部结构而研发制备新材料成为材料工程领域内的新兴趋势。本篇综述提出：新材料的设计方法是在介乎于宏观和微观尺度之间具有明确指向性的创造结构。即，在介观尺度上的结构元素相互协同，由微观元素（原子，分子或单个相粒子）交互作用而形成有利的结构，并赋予其特定的新性能。作者归纳阐述了六种构筑材料的研究思路。本文分章节讨论特定材料的设计原则与突出成果：第2节和第3节讨论的是材料科研人员人为构筑的拓扑互锁材料、晶格材料；第4节和第5节讨论了受大自然启发设计的材料，包括生物仿生学和仿岩石学；第6节和第7节讨论了实验室提出并设计出的材料，包括异质结构材料以及基于团簇和纳米颗粒组装的材料。下面分别给出6种构筑材料代表性的图例。

图1. 具有非平面接触表面的互锁块组件：（a）原型骨状块，生成（b）中所示的拓扑互锁组件。（c）几何互锁空间填充块，（d）以机织面料设计为灵感的几何互锁块。

图2. 包含不同类型元素的基本单元的设计示例：（a）手性材料，（b）高抗屈曲海绵材料，（c）具有巨大泊松比的铰接晶格，（d）具有零泊松比的材料，（e）具有完全可逆变形的可编程超材料，（f）受晶体微观结构启发的损伤容限材料，（g）容错材料，（h）三维全向负泊松比。白色光束比彩色光束柔和；白色和黑色节点分别是铰接点和刚性点。

图3. 生物材料通常成分较为单一，但由于多尺度层级结构，其性质和功能具有巨大多样性。

图4. 两种不同金属堆叠交替组件经高压扭转变形后，形成的仿岩石结构特征示意图：（a）初始结构，（b）褶皱，（c）旋涡，（d）肠型构造（e）细层状结构，（f）细层状结构中的旋涡，在所有图中，两个组成层中较硬的一层显示为绿色。

图5. 四种典型的异质结构：（a）异质层状结构，（b）叠层结构，（c）梯度结构和（d）谐波（核-壳）结构。

图6. 通过集群组装实现的构筑材料示意图。左侧显示了系统的变化，右侧显示了团簇基复合材料的可能变化，非晶态（蓝色）、晶态（绿色）或混合团簇，也具有不同的尺寸，嵌入在连续基体（灰色）中。

在介观尺度上构筑材料的研究方兴未艾，且迄今为止所取得的突破性成功令人鼓舞。构筑材料的显著特点为：与传统材料相比，构筑材料对其性能与功能进行优化所需的化学多样性更少。这不仅更有利于材料的回收与可持续发展，甚至可以重新配置以提供新的性能。例如基于拓扑互锁理念设计结构的韧性较其整体结构提高50倍；人为构筑的晶格结构材料对外加磁场或者机械载荷表现出十分灵活的形状记忆特性；利用严重塑性变形技术构筑的仿岩石材料在强度的提升和阻碍裂纹扩展的能力相当可观；异质结构材料所具备的显著协同效应使得该材料获得远超传统材料的综合性能，并且有望在工业上进行大规模生产。

图7. 与超细晶Ti和粗晶Ti相比，异质结构层状Ti具有更好的强度-塑性匹配。

作者综述了构筑材料的设计思路，梳理了新材料取得的突破性成果。提出构筑材料的设计理念处于初级阶段，具有可观的应用潜力，值得探索与开发。诚然，已有几种工业技术以及3D打印技术制备设计的新材料，并取得了巨大的成功，然而构筑材料的加工制备仍需要反复试验进行调控，例如异质结构材料的产业化生产。因此，开发预测模型和理论来设计构筑材料以获得最佳性能显得尤为重要，而这反过来又可以促进其基础研究的进一步完善。

*本文由Materials Research Letters编辑部编译整理

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