夏曉星研究員Nat. Rev. Mater.:具有時空響應性的建構材料
一、【導讀】
從古至今,材料的發展與社會的發展息息相關。材料科學的基本目標是通過可制造、可持續和經濟的途徑預測和創造具有不斷改進的性能和新功能的材料。例如,建筑材料已經從石頭、磚和木材演變為更堅固、更便宜的工程材料,如鋼、塑料和鋼筋混凝土,以及合成功能材料,如用于可伸縮體育場屋頂的輕質、耐用和半透明聚合物膜。材料科學的關鍵是了解材料在原子和分子水平上的微觀結構與其性能之間的關系。這種理解可以引導在力學、計算和儲能領域發生了改變世界的材料發現。
建構材料具有中尺度、微尺度甚至納米尺度組件的結構設計成特定的空間排列,其發展引入了一種新的構造自由度,可以對不同于或超過其組成材料的屬性進行編碼。例如流體一樣變形的固體,其剪切模量與體積模量比接近零,還有代表性的脆性陶瓷,它們在壓縮時變形并恢復。制造技術的飛速發展,尤其是增材制造,使得材料組件可以在多個長度尺度上進行空間變化,從而能夠合理設計具有增強性能和新穎功能的建構材料。建構材料正在材料性能領域中大量出現,如超低導熱率,同時具有的低密度和高強度,它們通常具有負泊松比和機械隱形性等奇異屬性,因此被稱為“超材料”。
二、【成果掠影】
2022年6月20日,Nature Reviews Materials在線刊發了美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室夏曉星研究員(一作兼通訊)關于建構材料的綜述,該綜述描述了在空間和時間上構建的各種材料,以及它們對各種刺激的反應性,如機械運動、溫度、化學環境的變化以及電磁場的變化。作者強調了可以精確定制復雜幾何形狀和局部不均勻性的增材制造方法,以使這種響應能力成為可能。同時,還討論了在結構材料中觀察到的,類似于經典材料的層展物理現象,如晶體缺陷的形成和行為、相變和拓撲保護特性。最后,作者還提供了通過機械邏輯和人工神經網絡具有一定程度智能的建構材料的展望。
三、【核心創新點】
1、描述了在空間和時間上構建的各種材料,以及對各種刺激的響應,包括機械驅動、溫度和化學環境的變化以及電磁場變化。
2、強調了增材制造方法,可以精確地規定復雜的幾何形狀和局部不均勻性,使上述響應成為可能。
3、討論了在結構材料中觀察到的類似于經典材料的層展物理現象,如晶體缺陷的形成和行為、相變和拓撲保護特性。
四、【論文掠影】
圖一、具有定制機械響應和可重構性的建構材料
(a)壓縮時彈性多孔固體的協調屈曲示意圖。
(b)程序化模式形成體素化機械超材料。
(c)在與切割方向成γ角的拉伸載荷前后,kirigami基超材料的屈曲誘導結構轉變的圖示。
(d)可根據施加的機械應變將太赫茲波的偏振旋轉不同程度的拉伸kirigami偏振調制器的圖示。
(e)可重構單元格的力—位置曲線,其插入式不穩定性在卸載后保留了變形的幾何形狀。
(f)在彈性多穩定結構上進行壓縮載荷實驗的延時圖像,該結構表現出自相似的逐層塌陷,并在卸載后保持其變形能力。
(g)基于模塊化雙穩態、三穩態和多穩態鉸鏈的三維建筑材料重構。
(h)基于多面體空間填充細分數值分析的可重構棱柱結構。
(i)折紙啟發的超材料的結構變化的圖解和圖像,由加壓空氣袋在選定的鉸鏈處誘導。
(j)通過封閉包膜的外部加壓來加固和重新配置鏈式結構示意圖和圖片。
(k)蜂窩式氣動網絡的示意圖,該網絡可通過四根加壓管控制嵌入式氣囊的充氣來彎曲和拉長,以及基于蜂窩式氣動網絡的軟機械臂打開抽屜的圖像。
圖二、溫度響應形變的建構材料
(a)用四種不同的彈性模量和熱膨脹系數的油墨配方直接打印的復合雙層晶格的可編程形狀變形。
(b)打印方向編碼3D打印液晶彈性體(LCE)結構中的液晶疇排列,以便兩個形狀相似的圓盤在加熱時可以變形為不同的3D結構。
(c)3D打印形狀記憶聚合物(SMP)晶格的形狀編程和恢復,以及聚合物網絡微觀結構在不同階段的示意圖。
(d)形狀記憶聚合物支柱組成的張拉整體結構在兩種形狀恢復溫度下的兩步自組裝結構。
(e)將聚合物微觀結構和光吸收金納米棒嵌入熱響應水凝膠基質的混合體系的局部光熱加熱和結構轉變。
圖三、化學機械轉化的建構材料
(a)在3D打印水凝膠復合材料中,通過編程打印方向排列的纖維素原纖維編碼復雜的幾何變換。
(b)附著在基底上的三角形胞狀微結構在與丙酮接觸時軟化和膨脹,在溶劑蒸發時通過毛細管力轉變為六邊形結構,并在完全干燥后在持續轉變的結構中重新硬化。
(c)可根據pH變化可逆折疊和展開的化學反應性雙材料水凝膠微傘。
(d)圖示和穩態化學機械反饋系統的代表性溫度剖面圖,該系統保持穩定的環境,防止外部擾動。
(e)電化學活性建構材料代表性驅動機制的圖示。
(f)帶有金屬集電器、共軛聚合物致動器和電化學非活性結構組件的微型機器人可以通過電化學控制抓取和提起100 μm的玻璃珠。
(g)電化學可重構微晶格,由三維聚合物支架組成,該支架涂覆有薄層金屬(集電器)和硅(活性材料)的結合涂層。
四、與電磁場相互作用的建構材料
(a)具有空間變化鐵磁疇的3d打印彈性體在磁場作用下表現出復雜的形狀變化。
(b)一種磁控制的六足結構,可以抓住、移動和釋放小物體。
(c)一種由單域納米磁鐵陣列組成的變形微型機器,可以按照特定的開關磁場序列編程顯示不同的字母。
(d)一種由集成光學傳感器、微控制器和電池的低壓疊層介質彈性體驅動器驅動的自主無限制快速軟機器人昆蟲。
(e)3D打印電結構產生不同的電壓輸出,以響應不同重量的自由落體沖擊。
(f)具有空間分布讀出電極的壓電結構可以用作觸覺映射的壓力傳感器。
(g)光敏材料中獨特的機械響應示意圖。
(h)組織工程軟體機器鰩可以游動并跟隨光線穿過障礙物;通過將分離的大鼠心肌細胞圖案化到一個包裹金骨架的彈性體上而制備。
五、經典材料和建構材料之間的對比
(a)經典晶體材料中疇界和位錯的示意圖。
(b)與設計的完美晶格相比,具有制造缺陷的鋁合金八隅體晶格的歸一化楊氏模量下降的極坐標圖。
(c)對具有1個和8個元晶粒的面心立方聚合物3D打印晶格的壓縮應力和應變響應的對比,表明結構疇邊界可以有效地阻止裂紋延伸。
(d)形狀記憶合金在變形和溫度變化驅動下奧氏體、變形馬氏體和孿晶馬氏體相變的晶體圖示。
(e)當由寬度為L菱形細長鉸鏈方形橡膠板構成的超材料在外部鉸鏈處被局部壓縮時,具有結構相關特征長度標度的基于旋轉的結構逐漸衰減。
(f)在協同屈折的四方微晶格中,電化學誘導的重構過程中,施加的電流可以控制不同尺寸的雙重變形域的統計分布。
(g)量子霍爾效應物理現象中受拓撲保護的電子邊緣態的圖解。
(h)彈性波在由三角形硅柱的六角形陣列組成的聲子晶體中傳播的拓撲保護邊緣態,這類似于拓撲絕緣體中的邊緣態電流。
(i)由自由鉸鏈連接的剛性元件組成的變形kagome晶格中的拓撲缺陷允許在原本剛性的均衡晶格的內部進行局部運動。
六、具有新興材料智能的響應式建構材料
(a)機械通用計算機——分析引擎的部分試驗模型。
(b)“AND”門的條件臂的圖示,它使分析引擎的微編程功能,如條件分支和循環成為可能。
(c)設計了一種由彎曲機制驅動,以機械變形為輸入的3D打印機械邏輯門。
(d)插圖和全光衍射神經網絡的圖像,該神經網絡由多個衍射層組成,可以在計算機模擬中訓練,以分類手寫數字。
(e)用于光子神經網絡的3D波導互連,與橫條配置的2D網絡相比具有伸縮性優勢。
(f)生物神經網絡與建構材料網絡的復雜三維結構對比。
(g)生物突觸和更新突觸重量的人工突觸之間的比較。
五、【前景展望】
本綜述描述了各種響應性建構材料的當前進展,在空間和時間上構建的各種材料,以及對各種刺激的響應,包括機械驅動、溫度和化學環境的變化以及電磁場變化,解釋了它們獨特的制備和驅動方法,并提供了它們潛在應用的示例。它們的結構可以有條件地改變,以應對不斷變化的當地環境;例如,它們可以在特定的溫度和/或pH值下釋放藥物。可以通過磁場、電場或光以短響應時間遠程操縱電磁響應建構材料。電磁場的主動調制為這些材料提供了更復雜的時間軌跡,使它們能夠執行遠程指定的任務,例如拾取物體并將其傳送到特定位置。在設計功能性響應材料時,具體目標為一個或多個激活機制提供了指導,這些激活機制將集成到建構設計中,以實現所需的時空響應。最后,作者還強調了增材制造方法,可以精確地規定復雜的幾何形狀和局部不均勻性,使這種響應成為可能。
文獻鏈接:Responsive materials architected in space and time ( Nat. Rev. Mater. 2022, DOI: 10.1038/s41578-022-00450-z)
文章評論(0)