High Bulk Modulus Pentamodes: the Three-Dimensional Metal Water

声音在水中的传播方式与在固体中的传播方式截然不同。在像水这样的液体中，材料会抵抗被挤压，但在受到剪切或侧向滑动时几乎不提供任何阻力；它流动得非常容易。而在金属固体中，材料会对这两种作用都产生抵抗。几十年来，科学家们一直试图构建能够模仿液体行为但由固体材料制成的人工结构。这些被称为超材料（metamaterials）的结构通过微小的、重复的图案进行工程设计，从而赋予它们自然界中所没有的特性。长久以来的目标是创造一种在声波通过时表现得完全像水一样的固体——即一种既足够坚硬以保持形状，又足够柔软以让声音像通过液体一样流过的材料。这对于水下技术尤为重要，因为在这些技术中，控制声音对于通信和导航至关重要。

挑战在于一个物理上的矛盾。要表现得像水，一种材料需要极难被压缩（高体积模量），但又极易发生滑动（低剪切模量）。现有的试图模仿水的固体设计大多失败了，因为它们要么太软而无法投入使用，要么太硬而无法让声音正确通过。它们往往在声学特性上与真实的水有着显著的差距，导致其无法成为真实的替代品。研究人员多年来一直致力于解决这个问题，试图寻找一种用于构建这些材料的微小构建块的几何形状，以解决这种平衡问题。

米兰理工大学的一个研究小组现在提出了一个解决方案，他们将其描述为第一种完全配得上“3D金属水”之名的超材料。他们设计了一种由金属制成的三维结构，在低频范围内，其声学行为与水无法区分。他们成功的关键在于意识到此前用于制造这些材料的形状存在根本性的局限。多年来，标准设计一直依赖于形状为双锥体（两个尖端相连的圆锥体）的连接件。虽然这些形状在二维模型中表现良好，但研究人员发现，在三维空间中，如果不变得过于沉重或过于僵硬，就无法实现必要的刚度。为了使材料具有柔韧性而设计的细尖端也使得材料在抵抗压缩方面过于脆弱，从而无法匹配水的密度和声速。

为了克服这一点，该团队放弃了双锥体形状，转而研究另一种机械行为：绳索的工作方式。他们提出了一个新设计，其中结构中的连接件不是单根实心杆，而是由许多细长的平行纤维组成的束。在绳索中，当绳子弯曲时，单个纤维可以相互滑动，这使得整个束在承受弯曲力时非常灵活。然而，当绳子被拉直时，所有的纤维都会共同作用来抵抗拉力，使其变得非常强韧。通过将这一原理应用于他们的金属晶格，研究人员创造出的连接件在抵抗压缩时极其坚硬，但在侧向滑动时几乎完全不受阻碍。这种特定的组合使材料能够保持匹配水所需的极高抗压缩性，同时保持极低的滑动阻力，从而使材料的表现如同流体。

研究人员使用计算机模拟测试了这种新设计，证实它能够实现比以往尝试高出两个数量级的体积模量，终于在低频范围内达到了真实水的水平。他们还发现，该结构在处理某些类型的振动时会产生一个特定的间隙，有效地阻挡了剪切波，同时允许压力波通过。这意味着声音通过他们的金属结构进行传播，就像通过水一样，不会产生通常在固体材料中发生的那些不必要的畸变。虽然该设计目前仍是一个理论模型和计算机模拟结果，但研究结果表明，制造出一种真正表现得像液体的固体是可能的。这一突破为创造先进的声学设备（如透镜或隐身衣）打开了大门，使这些设备能够以以往无法实现的精度在三维空间内操纵声波。