加州理工學院的工程師們通過創造一種由多個相互連接的微尺度結組成的新型材料，在納米和微架構材料領域取得了重大突破。與結構相同但沒有結的材料相比，這種新材料中結的存在大大增強了它的韌性，使它能夠吸收更多的能量，並在沒有任何損壞的情況下恢復到原來的形狀之前產生更大的變形。

這些新的打結材料由於其耐用性、可能的生物相容性和極端的可變形性，可能會在生物醫學以及航空航天領域找到應用。

前加州理工學院研究生Widianto P. Moestopo（19歲碩士，22歲博士）說：”克服材料可變形性和拉伸韌性[被拉伸而不斷裂的能力]之間的一般權衡的能力為設計極其靈活、耐用並能在極端條件下運行的設備提供了新的方法。”

Moestopo是一篇關於納米級結的論文的主要作者，該論文於3月8日發表在《科學進展》上。他在Julia R. Greer的實驗室裡幫助開發了這種材料，她是Ruben F. and Donna Mettler材料科學、力學和醫學工程教授；Kavli納米科學研究所的Fletcher Jones基金會主任；以及《科學進展》論文的資深作者。格里爾站在創造這種納米架構材料的最前沿，或者說其結構是在納米尺度上設計和組織的材料，因此表現出不尋常的，往往是令人驚訝的特性。

用微尺度結構建的材料的抗拉強度（左），與缺乏結但其他結構相同的材料的抗拉強度（右）相比。資料來源：加州理工學院

Greer說：”著手了解結點將如何影響微結構材料的機械反應是一個新的突破性想法。我們已經做了廣泛的研究，研究許多其他類型的微織物的機械變形，例如，格子和編織材料。進入結的世界使我們能夠更深入地了解摩擦和能量耗散的作用，並證明是有意義的”。

每個結的高度和寬度約為70微米，每個纖維的半徑約為1.7微米（約為人類頭髮半徑的百分之一）。雖然這些不是有史以來最小的結–在2017年，化學家們打了一個由單個原子鏈組成的結–但這代表了由這種規模的眾多結組成的材料首次被創造出來。此外，它顯示了在材料中包括這些納米級結的潛在價值–例如，在生物醫學中用於縫合或拴牢。

由聚合物製成的打結材料表現出的拉伸韌性遠遠超過了沒有打結但其他結構相同的材料，包括那些單個股線交織在一起而不是打結的材料。與未打結的材料相比，打結的材料吸收的能量多出92%，並且在被拉動時需要兩倍以上的應變量才能斷裂。

這些結沒有被機械打結，而是通過使用先進的高分辨率三維光刻技術以打結的狀態製造出來的，因此能夠產生納米級的結構。《科學進展》論文中詳述的樣品包含簡單的結–一個帶有額外扭曲的反手結，在材料被拉伸的同時提供額外的摩擦力以吸收額外的能量。在未來，該團隊計劃探索由更複雜的繩結構成的材料。

Moestopo對繩結的興趣來自於他在2020年COVID-19鎖定期間進行的研究。”我看到了一些研究人員的作品，他們正在研究物理結的力學原理，而不是純粹數學意義上的結。我不認為自己是一個登山者，一個水手，或一個數學家，但我一生都在打結，所以我認為值得嘗試在我的設計中插入結，”他說。