把握自己的未来之路数百年的实践如何彻底改变材料科学陈明章

把握自己的未来之路：数百年的实践如何彻底改变材料科学

鸣叫

针织已经存在了数千年，但这位研究人员认为它可以为一类新材料铺平道路。

Elisabetta Matsumoto从小就喜欢编织。但当她在亚特兰大佐治亚理工学院培养对数学和物理学的热情时，她对她的爱好产生了全新的欣赏

“我意识到纺织品中只有大量的数学和材料科学，但这被认为是理所当然的，”松本说。

针织是这样一种过程，其中纱线在空间中成形以形成织物，基本上是片状材料，通过将滑结网格拼接在一起。

基本上，它涉及使用1D材料填充2D纸张，然后覆盖3D材料，如我们的头部或身体。虽然这个过程可以追溯到公元前11世纪，但其背后的理论要比实际实践复杂得多。但是，我们很少考虑针织面料的复杂性。针织纺织品已经变得无处不在，因为它们易于制造，重量轻，便携，柔韧且有弹性。

然而，其卓越性能的关键在于其微观结构。

针织面料的示意图 - 即使是最简单的针织图案也很难用数学方法描述。公共领域的图像。

与编织织物不同，编织织物通常在水平和垂直方向上直线运行，编织沿着其行沿着环形路径 - 图案中任何地方都没有单根直线纱线。无论使用何种技术或材料，编织者都需要充分了解他们正在使用的材料属性，以及他们正在生产的织物几何形状。

通过改变这两个复杂的参数，可以开发出各种各样的材料特性。

“通过选择针脚，您不仅可以选择几何形状，还可以选择弹性，这意味着您可以为从航空航天工程到组织脚手架材料的任何东西建立正确的机械性能，”Matsumoto说。

然而，开发针织的数学框架并非易事。几个世纪以来，几乎所有的奶奶一直在做的事情很难用代数来描述 - 但松本的研究生Shashank Markande正在这样做：开发一个针织图案目录以及不同的几何和材料属性。

这绝对不是一件容易的事，特别是考虑到针织书中描述的数千种不同的模式。

“缝针有一些非常奇怪的限制; 例如，我需要能够用两根针和一根纱线制作它 - 你如何将其转化为数学？“松本说。

五种织物弹力织物，反向弹力织物，吊袜带，1×1罗纹和由针织物制成的种子。这些中的每一个都是双周期的 - 单位格由虚线框勾勒出来。图片来源：Elisabetta Matsumoto。

与此同时，在Matsumoto实验室工作的博士后Michael Dimitriyev正在使用Markande开发的目录，并用它来生成预测材料特性的计算机模型。除了实际使用它来生产新材料外，这还可以应用于另一个不同的领域：计算机图形学。

“织物和布料在电脑游戏中看起来有点奇怪，因为它们使用简单的珠子和弹簧弹性模型，所以如果我们能够提出一个简单的微分方程式设置，它可能会让事情看起来更好，”Matsumoto说。

a）针织是滑结的周期性结构。b）具有复杂图案的纺织品通过组合特定组合的活结来编织。图片来源：Elisabetta Matsumoto。

本周在波士顿举行的美国物理学会3月会议上，松本将展示她的团队成果，以及利用针织图案的特殊性，如何利用看似单调的针织工艺开发全新的材料。

“为此，我们开发了一种几何框架，用于将纱线路径与织物的出射表面几何形状相关联。我们的方法的一般性允许纱线自由度的系统粗粒化，而没有 纱线弹性模型的先验规范。因此，我们能够通过假设一个简单的纱线现象学模型，同时允许包含更逼真的纱线力学和实验比较的可能性来得到针织图案相关的，连续弹性的针织模型，“摘要读取。

目前，该团队专注于针织格子中最简单的针脚花纹和曲线。他们希望很快转向更复杂的模式，并研究针织物在3D中的表现。

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