“做梦都在推导公式”！90后研究员破解工程结构材料百年难题，登顶《Nature》封面

2026-01-09 15:45:08 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

“在最费脑的夜晚，他曾依赖褪黑素才能入眠，连梦境都充斥着公式推导。”方鑫，这位90后国防科技大学的研究员，最近终于摆脱了对褪黑素的依赖。经过六年的不懈努力，他攻克了一个长期困扰世界的难题：如何使工程材料同时具备高强度和高韧性。传统材料往往难以两全其美——要么坚硬而易碎，如陶瓷和金属；要么柔软而易变形，如橡胶。这个百年难题一直未被解决。方鑫从拧麻绳的传统技艺中汲取灵感，探究为何相同量的棉麻材料捻成绳后会更加坚固，以及为何打结能使绳子更紧更牢靠。他的发现不仅解答了这些疑问，也为材料科学领域带来了革命性的突破。

研究人员通过创新地采用扭曲变形取代传统的弯曲变形，成功设计出一种全新的手性超结构，这一突破性成果不仅打破了材料与结构力学性能的既有界限，还为该领域带来了革命性的变革。在历经近30种建模解析方法的探索后，他们最终构建出了一个既优雅又精确的“手性扭曲理论”。这项令人瞩目的研究成果已在国际顶级学术期刊Nature上发表，国防科技大学作为论文的第一单位，方鑫担任第一作者及共同通讯作者。同时，中国科学院外籍院士高华健等杰出学者也作为通讯作者参与了这项研究。

研究者构建的全新手性超结构受访者供图

盘碗拧绳得灵感

方鑫对材料和结构设计的热爱，是他日常工作和生活中不可或缺的一部分。他总是热衷于探索那些能够激发力学研究潜力的材料和设计方法。在工程结构和装备设计中，轻质、高刚度、高强度和高韧性的材料是追求的目标，这些特性的结合使得结构不仅具有出色的弹性能储能密度和承载能力，还能展现出卓越的抗冲击性能、轻量化、小型化以及运动灵敏度。方鑫在机械超结构的强非线性波动、智能调节和高强高能设计领域取得了一系列令人瞩目的成果。他提出的原创性智能超材料设计方法，实现了金属基材料刚度和形状的大范围、连续、快速调节，这一创新成果在2023年被《自然·材料》杂志以封面文章发表，并被《自然》评为当年6月全球重要的科技进展之一。

方鑫介绍其相关研究工作王昊昊/摄

在2019年的一次抗冲击研究中，方鑫意外地发现了一项革命性的科研成果。当时，他正致力于探究柔性材料在挤压后的形变情况，并用3D打印技术制作了一个编织结构的柔性碗。出乎意料的是，这个碗在受压时并未瘪下去，反而呈现出类似打结绳子的扭曲形态。这一发现激发了方鑫的好奇心：“这太神奇了！”他开始思考：为何碗会扭曲旋转？这种扭曲与绳子打结有何相似之处？为何简单的形变会导致刚度激增？带着这些疑问，方鑫深入研究了这一现象。他发现，这实际上是近现代力学领域尚未解决的一个难题——结构扭曲问题。

最烧脑时靠褪黑素入眠

紧随其后，方鑫洞察到材料在追求强度与韧性的平衡上遇到的挑战，同样适用于结构设计。“当今工程领域拥有无数种材料与结构组合，”他说道，“在广泛研究文献后，我意识到所有这些构型都建立在弯曲和屈曲的基础上，而材料的抗压性能正是基于这些理论。”这激发了方鑫对一个关键问题的思考：是否能够通过控制变形模式来解决材料和结构难以同时具备高强度与高韧性的问题？他回想起在日常生活中观察到的现象：“绳子打结后变得更加牢固。如果将这种打结机制应用于材料和结构的变形过程中，是否能够提升它们的强度和韧性？”虽然绳子打结轻而易举，但要让钢筋实现类似的效果而不依赖工具则是一项挑战。为此，方鑫构想了一个创新的结构设计，使得“打结”过程能够自动完成。

研究人员提出了一项革命性的新理念，即采用压缩扭转屈曲结构来取代传统的压缩弯曲屈曲结构，作为桁架结构的基本单元。通过精心设计的可自由扭转的手性胞元，他们成功诱发出特定的扭曲模式，进而创造出一种全新的手性超结构。这种创新设计突破了基材强度和韧性的限制，利用扭曲变形替代传统的弯曲变形，开辟了结构设计的新篇章。经过大量的理论分析和实验验证，在未经优化的情况下，这种手性结构展现出了卓越的性能：其刚度显著提高，能够承受巨大的变形，将承载屈曲强度提升了5至20倍，弹性应变能密度提升了5至160倍以上，打破了材料与结构力学性能的传统界限。尽管已经成功构建出性能卓越的手性超结构，但其背后的科学原理仍然是一个未解之谜。方鑫指出，揭示这些原理的难度甚至超过了构建结构本身。

方鑫与力学界的泰斗高华健院士就一个棘手的问题进行了深入的探讨。高院士指出，扭转屈曲是结构力学中一个历史悠久且极具挑战性的难题。尽管研究者们一直在寻找大变形条件下的解析解，但始终未能突破，导致这一领域逐渐被边缘化。一些学者尝试通过数值模拟来探索这一变形过程，却未能揭示其完整的力学演化机制。深受启发的方鑫决心用数学方程来描述这一现象，但过程异常艰难。他尝试了多种建模方法，却始终无法准确解析扭曲的科学原理。那段时间他倍感沮丧，夜不能寐，甚至需要借助褪黑素才能入睡。揭示力学原理之所以面临巨大挑战，是因为“压缩扭转屈曲”涉及复杂的三维强非线性变形模式，在3D几何空间中难以精确刻画。建立其三维变形的几何表述、载荷平衡关系、变形相容关系以及变形与结构强度关系的数学方程是一项艰巨的任务。经过近30种建模方法的尝试和不懈努力，方鑫终于找到了解决手性扭曲问题的关键解析答案。

四个“工人”协同“作战”

那么，材料和结构扭曲过程中究竟发生了什么，使得其性能大增？

方鑫发现，扭曲的过程是为由四类变形组合而成。如果将这四类变形组合比喻成工人，那扭曲的过程就是四个“工人”在协同“作战”。

方鑫在实验室中王昊昊/摄

探索这四位“工人”如何协同作业，方鑫揭示了它们各自独特的角色。在弯曲过程中，两位“工人”分工明确：一位承受压力，另一位使材料弯曲。而在扭曲过程中，另外两位“工人”加入，显著提升了材料的性能。除了原有的弯曲专家外，还有一位负责扭转，另一位则通过产生交叉方向的弯曲来扩展变形空间。这种四重奏的协作使得材料在强度和弹性上实现了质的飞跃。研究团队因此成功构建了优雅的“手性扭曲理论”，为这一领域带来了重大突破。该理论不仅解决了手性扭曲问题，还建立了一个精确的解析模型，能在20%的变形范围内准确预测结构变形。研究发现，在压缩扭曲中，通过巧妙地结合扭转和面外变形，可以在不增加基杆应力的情况下存储超过一倍的能量。这一发现意味着，在相同的材料强度限制下，可以显著提升整体超结构的力学性能。高华健教授称赞这一理论为“开创性”，它不仅揭示了材料和结构高强高能特性的产生机制，而且为航空、航天、船舶、高铁、汽车等工业领域提供了宝贵的解决方案。

审稿时“自找苦吃”

在Nature杂志的审稿过程中，方鑫的研究成果历经三次精心打磨，终于得以见刊。最令他难忘的是初审阶段，尽管审稿人仅要求完善一些细节，无需大幅修改，这本是许多作者梦寐以求的好消息。然而，方鑫却在初审后主动提出增加审稿人未曾提及的新内容。他坚信，在扭曲现象中存在四个关键因素协同作用，并认为他的手性扭曲理论虽已准确，但在数学描述上仍有提升空间。他说：“我始终觉得理论的数学方程还不够完美，值得进一步优化。”方鑫不愿就此满足，因为他深知如果自己不深入研究这个问题，未来可能鲜有人关注和解决这一难题。在他看来，完善手性扭曲理论不仅是推进力学研究的关键步骤，更是为后续研究打下坚实基础的必要之举。正是这种精益求精的态度让方鑫度过了职业生涯中最艰难的一个月。为了攻克这一挑战，他放弃了许多重要会议的机会。朋友们和同事们都惊讶地发现方鑫缺席了会议。他几乎将所有时间都投入到实验室中，夜以继日地推导数学公式。有时他沉浸在思考中如此之深，以至于连同事打招呼都没注意到。

经过两周的等待，方鑫的研究依然没有取得突破。有人建议他暂时搁置这个问题，以免影响论文的发表。面对巨大的压力和身体的极限，方鑫决定给自己设定一个30天的最后期限。在一审修改意见发出20多天后，他终于找到了最佳解决方案。虽然这个过程耗费了三个多月的时间，但最终的结果令人满意——没有缺陷，不留遗憾。Nature杂志的审稿人对这项研究给予了高度评价，认为它通过平衡结构的能量密度、刚度、强度和可恢复应变，解决了工程领域的一项基本挑战，并为非线性材料力学和具有广泛应用的高焓材料提供了新的视角。目前，方鑫团队正围绕他们构建的手性超结构和手性扭曲理论，在相关领域开展应用研究，并期待这些成果能够展现出更优异的性能。