31岁博后发表Science封面文章后，内心封存永久遗憾

中世纪战士所穿戴的链甲，柔软灵活但防护性极强。受这一概念启发，山东小伙周文杰所在的加州理工学院团队，研制出一种具有全新物质形态的材料。它表现为一种独特的非牛顿流体，在不同力的作用下，它既可以像液体般流动，又能如固体般坚硬。这项材料科学的重大突破成功登上Science封面。

撰文 | 路飞

Science封面 | 图源：science

2024年11月的一天，周文杰正在开会，手机收到了Science录用邮件。这一刻他没有欢呼雀跃，倒不是因为投稿历经蹉跎磨平了心性，相反，这项研究从投稿到录用顺利丝滑，甫一开始就注定要在学界炸出一计响雷。在他眼中，录用通知只是他“折腾”过程中顺手得来的。

2025年1月17日，这篇题为“3D polycatenated architected materials”的文章在Science上线。而此时，周文杰内心满是懊悔，“没有将手稿发给James Fraser Stoddart教授（2016年诺贝尔化学家获得者）”。在文章上线的两周前，Stoddart教授逝世，无法正式邀请这位指路人来评价自己的工作，成为了周文杰的永久遗憾。

Stoddart教授在西北大学时常鼓励年轻人，“不要怕坐冷板凳，要去研究一个大问题，越基础越好，科研是一辈子的事，你总会发光的。”周文杰对这句话记忆犹新，并默默将Stoddart教授当作role model。

满腔热血的年轻人自然渴望向偶像看齐。在加州理工学院博后周文杰心中，一直希望把机械键这一超分子化学的概念，通过自己独特的几何理解来推广到更大尺度的材料设计中，实现从化学到力学的跨学科融合。PAM（Polycatenated Architected Material，多链连接结构化材料）便是周文杰的“理想照进现实”之作。

PAM表现为一种独特的非牛顿流体，在剪切应力下，PAM的结构颗粒间发生滑动，整体表现出类似液体的行为；在挤压应力下，这些多链颗粒被挤压至紧密排列，转而呈现出固体般的刚性。正如加州理工学院的Chiara Daraio教授所说，“PAM是一种全新的物质形态，打破了我们对物质行为的传统分类方式。”

与化学结缘

周文杰1994年出生于山东济南，父母在学业方面给予了他极大的包容度。他在学业上以强烈的兴趣为驱动，尤其喜欢数学、物理、化学和生物，因而造成了严重偏科，不感兴趣的学科几乎荒废，感兴趣的学科钻研得浑身起劲。

当时《三体》还没有像如今这般大众口口相传，周文杰在同学的介绍下，对三体着了迷。这时他做了两件事，一是立志报考中国科大理论物理专业；二是打算日后尝试三体问题有没有新的解决办法。

因为偏科，周文杰没能进入梦校，2012年他被南开大学化学专业录取。在这里一段时间之后，周文杰才萌发对化学和材料的兴趣，尤其是晶体学，因为立体几何和对称性对他有天然吸引力。陈铁红老师是他科研启蒙的第一人，他在将周文杰领进科研大门时就告诉他，“先去思考有哪些重要的问题是值得解决的，再去思考能解决多少。”

大四时，周文杰受南开大学资助，前往加拿大多伦多大学访学，结识了被誉为“纳米化学之父”的Geoffery Ozin教授，并与其成了忘年交。时至今日，俩人仍来往密切。

于是在Ozin教授推荐下，周文杰申请了美国西北大学Chad Mirkin教授的博士，开始正式在纳米领域开展有趣的研究。

周文杰在西北大学读博期间的实验室工作照 | 图源：西北大学

Mirkin教授的课题组有八十多名组员，研究氛围自由宽松。他一直给学生宣贯的理念是：我负责提供世界上最好的资源平台，你负责如何利用资源开展研究。

纳米粒子自组装方向让周文杰着了迷：将看不见摸不着的纳米砖块通过引导搭建成想要的结构，这实在是太酷了，“当时比较中二，我觉得这比解决三体问题更厉害！因为我们通常认为在自组装系统里，纳米粒子个数是一个天文数字。”

周文杰进组后，研究主要聚焦于几何设计驱动的纳米组装，探索如何利用多面体几何形状来编程和调控纳米颗粒的自组装过程。

在博士研究期间，他成功构建了基于DNA编码的准晶超结构以及多种新型胶体晶体。这些成果，让他以第一作者身份在Science、Nature、Nature Materials等顶尖学术期刊发表了多篇论文。

囿于顶刊傍身，周文杰开玩笑说，Mirkin教授给的“自由过了火”，“我后来做了让他颇为后悔给我自由的选择，就是转去机械工程专业做博后。”

“不务正业”转学机械工程

说起这个转变，一切都是顺理成章。

很多人对自组装领域有一种刻板印象，认为只要能“走运”组装出新奇形状且与众不同的东西就能发文章。这也是材料学领域一直让人诟病的“千古问题”，就算自组装出准晶体，这些好看的绣花枕头有什么用？

周文杰不走寻常路，发挥逆向思维建立起“一条龙”的五步走策略，几何-结构-合成-物理性质-材料应用。通俗解释就是，新材料的诞生要先从几何出发设计结构，然后通过化学合成方式实现，同时还要求其作为材料具备某种物理性质和实用性。“说到这里，很多人可能会觉得我不是纯搞化学的，更像是一个杂货铺，数学、物理、化学、材料多少都牵涉一些。”

读博第四年，因为和诺奖得主Fraser Stoddart教授在同一个教学楼，周文杰从课题组之间的交流中获得很多启发，最重要的一个就是机械键（mechanical bond），即分子层面的机械互锁结构。

为了钻研三维机械互锁结构设计空间是否有限的问题，周文杰从晶体学出发，林林总总一年过后，才算是找到一个真正普适的规律，可以任意设计一个三维机械互锁结构。

但他很快发现，自己的化学储备完全不够用，即使是随便画出的简单结构，如果成功合成出来都是可以拿来发Science 、Nature的研究。周文杰意识到，这是很多化学家钻研很多年都不一定能做出来的大胆课题，更何况自己这个“不务正业”的化学家呢？

不过，他在科研上从来都是“一意孤行”，明知不可能合成出来，但还是设计出了几十个结构，“大不了就当是搞艺术了”。

转机发生在2021年夏天。加州理工学院Chiara Daraio教授课题组发表一篇题为“Structured fabrics with tunable mechanical properties”的Nature文章，文中提到3D打印的二维链甲本身是柔性的，但如果放入真空袋中抽真空，外界的压力可以让这些结构改变刚度，俗话说就是可以变硬。“我这时候才意识到，其实也许不止我一个人在力学层面关心机械互锁这件事。”

当时Daraio教授也认为从二维到三维去设计材料结构困难，但这也意味着机遇。毕竟，二维可能还是“布料”，但三维就是材料了。俩人一拍即合，周文杰加入了Daraio课题组，开始研究材料的力学和机械性能。

按之前的五步走策略，几何、结构、合成，都算是可以解决的问题，即使从分子层面无法合成但可以3D打印，毕竟如果想了解新材料的机械行为，最快的方式就是打印出来“玩一玩”。至此，只有物理性质和材料应用是待解决的。

球形PAM液滴 | 图源：本人供图

不是固体不是液体，是“粘弹体”

因为机械和力学实际上是理论指导的学科，当理论不能有效指导，很多人自然而然会觉得这个结构不存在或者没意义。而周文杰是出身于实验指导的学科——化学，当他如果遇到无法预测机械性质的结构时，会先去打印出设计好的结构，然后改变参数去观察机械性能变化，如此反复实验，总结规律。

在材料科学中，物质通常被划分为“晶体结构”和“颗粒材料”。晶体结构中的颗粒被固定在规则位置，而颗粒材料则由离散颗粒组成，彼此独立。

在中世纪，战士们穿戴的链甲由相互连接的金属环组成，柔软但防护性极强。PAM受这一概念启发，通过多种环形或笼状颗粒互相交织，形成稳定的三维网状结构。但不同于传统的二维链甲，PAM独特的第三维度带来了结构设计的全新可能，其单元可以是多面体、环簇或笼状结构，实现了更复杂的力学特性。

当每一个粒子都被锁住时，PAM表现为一种固体，当粒子没有被锁住时，PAM可以自由活动。于是周文杰开创性地提出把PAM看作是一种粘弹体。“因为通过结构改变固体力学性质大家司空见惯，但通过设计去改变流体性质，这个还没有太多人涉足。”

而粘弹体的流变测试在高分子化学中是很普遍的一件事，进而团队发现了PAM同时具备剪切变稀和剪切变稠的两种神奇性质。

研究团队使用了acrylic（丙烯酸树脂）、尼龙和金属等材料，通过高精度3D打印技术，制作出了PAM样品，这些材料为研究团队提供了多样化的参数控制手段。

在研究收尾之际，周文杰想到，当我们把手放到科技馆的静电球上面时，头发会竖起来。既然PAM和流体一样软，那么微尺度的PAM是否可以在静电的刺激下克服重力，实现快速的形态变换呢？说干就干，他和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的夏晓星博士一起，复现了这个“头发开花”的过程。“这是过去两年多玩得最开心的时刻之一！”

实验结果表明，当微尺度的PAM受到静电刺激时，环状结构之间产生相互排斥力，使材料从“压缩状态”迅速展开并恢复到“张开状态”，整个过程不到0.1秒。PAM材料在微观领域的高响应性，彰显出其在航空航天领域应用的潜力。特别是可展开结构（deployable structures）的研发，可用于太空探测设备，例如可控展开的天线和轻量化太阳能帆，实现从“收缩”到“展开”的精准控制。

当被问及作为门外汉为何能够取得如此成就时，周文杰笑着说，“我一直非常相信beginner’s luck，我觉得其实背后是有道理可循的。”当一个人处在不熟悉的新领域时，缺乏必要的理论框架和实践经验，不知道什么能做什么不能做。正因为如此，思维往往是最开阔的。“人菜瘾大，总有那么一种‘为什么我就不能是天选之子’的信念。”

“老手觉得太困难而不敢去尝试的问题，往往头铁的新手不会觉得是难题，反而探索的过程中充满了乐趣。另外，我在立体几何、晶体学、拓扑学方面的基础比较扎实，这些都让我恰好成为最适合研究PAM的这个人。”

如今，周文杰用自己走过的“野路子”去引领后辈，他给博士生和本科生明确指出，给他们一周或两周时间去天马行空，列出任何可能的研究想法，不计任何代价，不用去评估可行性，只管纯粹“造梦”。

我只提供了结构，应用大有可为

说来有趣，周文杰认为这项工作中最大的困难其实是语言沟通。

首先，不同学科背景出身的人在一起仿佛跨服交流，“不同的领域在讨论同一件事时，想要表达的意思往往南辕北辙。拿机械互锁来说，机械出身的人认为机械互锁通常说的是多个东西挤在一起，完全没有拓扑上嵌套的意思。”

其次，作为机械领域的新手去做推陈出新的事情，是一定会遇到阻力的。“幸而Daraio教授坚信我们体系的新颖性，我们读遍了文献的每一个角落，和将近10个不同领域的专家不断交流，文章中呈现的内容只是我们实际工作的三分之一。”

好在这项研究得到了审稿人的高度评价，甚至建议研究团队更高调一些。“对学界而言，PAM的设计框架为架构材料领域提供了一个通用、可扩展的理论基础和实践工具。”

“从实际应用层面来说，未来大有可为。因为从本质上来说，我们只是提供了一个结构，具体应用场景取决于使用何种材料实现这个结构。”比如针对PAM高能量吸收特性，可以制作头盔等防护设备；针对PAM的形变响应特性，可以制作柔性机械臂和仿生机器人。

提及未来的研究计划，周文杰表现出一如既往的强烈探索欲。“这取决于我将会在哪一个领域谋得教职，如果在化学系，我肯定会回来研究如何从分子层面去合成，因为合成才更容易量产。如果在材料系，我可能会更多关注于实际应用层面。如果在机械系，我可能会尝试更多地从力学角度来给出一个相对简洁的物理模型，去更深入地探索PAM的拓扑结构和力学性能的更深层联系。”

末了，周文杰顿了顿，“我把这项研究看作是一个序章，而不是我们几个人在围墙里开小灶。我希望不论是我们或者是别的研究团队，十年之后回过头来看我们这个工作，发出的感叹会是：我们当初连这么基础的东西都没发现，那真是有些丢人呢！”

周文杰（右）获得西北大学2022年度优秀研究生研究奖 | 图源：西北大学

参考资料

[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr9713

[2] https://www.nature.com/articles/s41586-021-03698-7

[3] https://doi.org/10.31635/ccschem.021.202100975

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