在中國經典小說《西遊記》中，孫悟空的如意金箍棒可以神奇地隨意伸縮。科學界亦一直在探索開發一種可以自由調節軟硬、壓縮和膨脹的材料，在香港中文大學（中大）研究團隊的二十一世紀實驗室，出現了突破性的發現。
中大物理系徐磊教授聯同博士後研究員沈翔瀛博士及房臣超博士，首次成功發現拓樸轉變與物料彈性的緊密聯繫。團隊在研究堆積模型網絡結構過程中，發現物料在拓樸轉變的過程中能改變彈性，並成功在實驗室製造出一種新型智能彈性超材料。拓樸轉變這門理論一直存在，但從來未有人將其與物料彈性扯上關係，團隊的發現為開發超構物料提供了新方向。
能改變材料彈性性質的結構
徐教授以乒乓球倒進盒子的動作比喻物料的網絡結構。初時，乒乓球會任意在盒中活動，直至盒內空間填滿，乒乓球便會停止活動，這個臨界點稱為「阻塞點」（jamming point），會構成一個特殊的網絡結構。
根據團隊的3D打印模型，可見到節點（nodes）及鍵（bonds）緊密連接著，而每顆節點對應著粒子的中心。當連接增加時，粒子就像乒乓球般卡在一起，使整體結構的硬度提高，令物料由液體狀變成固體狀。研究團隊更發現，如在某些特定的節點或粒子附近增加或減少鍵的連結，便能改變物料的彈性性質。
徐教授認為網路結構最有趣的地方是可以透過各自調整「體積模量」（bulk modulus）及「剪切模量」（shear modulus）這兩組彈性模量，了解物質抵抗外在壓力的能力。「體積模量」會顯示物料受來自四方八面壓力下變形的難度，而「剪切模量」可了解當物料表面受到剪切力下變形的難度。例如，由於水不能被壓縮，所以它的體積模量非常高；但由於它可四處流動，所以其剪切模量為零。徐教授的發現便是通過改變鍵或連接位，並獨立調整這兩組模量，令兩者互不影響，可以做到將物料由近乎液態變為完全固態的效果。這種可自由改變形態的材料猶如將孫悟空的神奇金箍棒呈現眼前。
智能物料應具備什麼特質？徐教授認為：「新型智能物料的優勢特質在於能按需要，靈活調整它的特性，以適應外在環境的不同變化。能掌握任意調整網絡結構各個細節的技術，對於智能系統及物料的發展十分重要。」
徐教授一直專注基礎研究，笑言未有明確計劃如何擴大這個研究的神奇應用。「現階段，我們以3D打印和智能彈簧系統，將理論框架實踐。下一步，我們可以試試利用這種結構特性，製造真的彈性物料。」
可隨意調節彈性的物料應用潛力龐大，比如用於產品包裝的保護物料、在危險工業環境穿著的保護衣物、頭盔或鞋等。團隊期望日後有機會與工業廠家接觸，了解他們對物料的需要，再製造適用的產品原型。
「我們對物料系統中的拓樸轉變及干擾理論很感興趣。」徐教授在美國芝加哥大學修讀博士時，顆粒堆積現象被視為傳統必學的一門理論，他的導師亦是這領域的專家，因此他對這門理論再熟悉不過。他續指：「雖然已有不少學者研究這個範疇，但當我們進一步研究時，卻發現這種新型拓樸轉變尚未被發掘，於是我們便有了這個想法，利用此現象來設計智能物料。」
根據著名英國科幻作家Arthur C Clarke提出的第三個基本定律 「任何足夠新進的科技都與魔法密不可分」。這種「軟硬兼備」的智能物料，絕對能跟孫悟空的金箍棒相比擬。
是次研究獲香港研究資助局、中國國家自然科學基金和廣東省自然科學基金支持開展，並已發表在國際著名科學期刊《自然—材料》（Nature Materials）。論文全文請參閱：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01046-8。
