披著魔術(shù)“外衣”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

用拓?fù)湓碜兡g(shù)

1954年，美國魔術(shù)師比爾（BillBowman）首次向公眾表演了回形針自連的魔術(shù)。由于這個(gè)系列的魔術(shù)里面蘊(yùn)藏了太多奇妙的拓?fù)鋵W(xué)原理，很多科學(xué)家開始介入研究。如果說“拓?fù)洹钡母拍钐橄?，那么我們把它用科學(xué)手段“無限放大”，看看魔術(shù)中隱藏的拓?fù)涿孛堋?p>

首先，我們?yōu)檫@個(gè)魔術(shù)的原始版本創(chuàng)建模型，將兩顆回形針分別別在S 形紙帶上，迅速拉伸前，回形針是有預(yù)應(yīng)力的。（預(yù)應(yīng)力是為改善結(jié)構(gòu)、承受外荷載之前，給結(jié)構(gòu)預(yù)先施加的力，現(xiàn)實(shí)中常用于混凝土結(jié)構(gòu)。）

接下來，讓我們一起來用Abaqus（可模擬任意幾何形狀的模擬軟件）看看紙帶閃扣回形針的秘密。紙帶有兩個(gè)面，在開始的時(shí)候呈S 形，卡在紙帶上的兩個(gè)回形針實(shí)際上都只和紙帶的其中一個(gè)面接觸，在紙帶被拉直的過程中，兩顆回形針會(huì)逐漸往中間靠攏，持續(xù)對(duì)紙帶施加拉力時(shí)，紙帶的兩個(gè)面會(huì)展開成平面，所以扣在同一個(gè)面上的回形針會(huì)被拉開，當(dāng)兩顆回形針靠在一起時(shí)，它們之間恰好失去紙帶的阻隔，于是就相互別在了一起。

杯子和甜甜圈居然是同一類？

生活中，拓?fù)鋵W(xué)其實(shí)是無處不在的。如果讓你給咖啡杯、碗和甜甜圈分類，你是不是會(huì)把杯子和碗歸在一類呢？但在數(shù)學(xué)家的眼中，咖啡杯和甜甜圈在本質(zhì)上才是同類。這是為什么呢？

這里就要提到一個(gè)概念叫作同胚。我們把拓?fù)淇臻g比作一個(gè)幾何物體，同胚就是把物體連續(xù)延展和彎曲，使其成為一個(gè)新的物體。因?yàn)榭Х缺吞鹛鹑Χ加幸粋€(gè)“洞”的結(jié)構(gòu)，所以一個(gè)足夠柔軟的甜甜圈一定可以捏成咖啡杯的形狀。

拓?fù)鋵W(xué)只考慮物體間的位置關(guān)系而不考慮它們的形狀和大小。我們可以把拓?fù)鋵W(xué)比作印在有彈力的膜上的圖形， 不管怎么拉動(dòng)膜， 膜上的圖形的長(zhǎng)度、曲直、面積等都發(fā)生了變化，但是點(diǎn)還是點(diǎn)、線還是線，不相交的圖案也不會(huì)因?yàn)槟さ睦旌蛷澢嘟?。而那些保持不變的部位就是拓?fù)鋵W(xué)所研究的內(nèi)容了。而眾多魔術(shù)就是基于這個(gè)拓?fù)湓恚o觀眾呈現(xiàn)出不可思議、以假亂真的藝術(shù)效果。

改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，“變”出新材料

魔術(shù)中的拓?fù)渥屓藗兏械缴衿鎶W妙，那么，如果拓?fù)浔粦?yīng)用到更微小的世界時(shí)會(huì)發(fā)生什么呢？其實(shí)科學(xué)家早已將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與新材料的研制綁在一起了。在浩如煙海的各類材料中尋找拓?fù)洳牧弦彩呛芏嗖牧蠈W(xué)家研究的課題。如果我們可以自由操控材料微結(jié)構(gòu)的拓?fù)渥儞Q，那么材料的屬性將會(huì)輕而易舉地被改變，不需合成便可獲得新的材料，這將成為材料學(xué)邁出的一大步。

想要實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的拓?fù)渥儞Q并不簡(jiǎn)單，從前有研究用液體溶脹、溫度加熱、電場(chǎng)等來實(shí)現(xiàn)微孔結(jié)構(gòu)變形。來自美國哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的研究成果顯示，經(jīng)過不斷地試驗(yàn)，他們找到了動(dòng)態(tài)調(diào)控材料拓?fù)湮⒔Y(jié)構(gòu)的“鑰匙”：滴入一滴液體，便可以將材料的微結(jié)構(gòu)從三角形網(wǎng)格變成六邊形網(wǎng)格，而這一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換只需要10 秒鐘，而且這個(gè)變化是可逆的。這次研究實(shí)現(xiàn)了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的突變，是從量變到質(zhì)變的重大突破，可以說是了不起的創(chuàng)新。有研究表明，數(shù)千種已知材料都可能具有拓?fù)湫再|(zhì)，自然界中大約有24% 的材料都可能具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這給新材料研究帶去了無限的可能性。

魔術(shù)師預(yù)先設(shè)計(jì)出一定的表演程序引導(dǎo)觀眾，當(dāng)觀眾看到表演受到震撼以后一定會(huì)嘗試去思考其中的秘密。甚至很多高明的魔術(shù)表演會(huì)給科學(xué)家們帶去新的靈感和思路，相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新科技的高度也會(huì)隨著人類的探索不斷被刷新。