超材料前沿研究一周精选 2023年7月10日-2023年7月16日

微结构超构材料实现了奇特的力学响应和变形功能，包括负刚度、负压缩性、形状变形和扭曲模式。在泊松比方面，超构材料已经实现了通过可弯曲或屈曲的韧带或可旋转的节点来支持基于负变形模式的负值。各向同性材料的容许泊松比范围为[-1, 0.5]。各向异性可能会扩大这一范围，但基于正交各向异性本构定律，热力学预测了线性和稳定弹性区泊松比的一般界限，即0 ≤ ν_ijν_ji< 1。这个界限包括普通材料中的正泊松比和负泊松比，但是在这个界限之外还有很大范围的未被探索的空间。设计超过热力学极限的泊松比可以实现非凡的变形模式，并极大地扩展现代力学器件的功能应用，如软体机器人和生物医学器件。泊松比ν₁₂ν₂₁ < 0打破了源于Maxwell-Betti互易定理的本构张量的对称性，该定理预言了位移场的非互易传输。互易性源于微观可逆性和时间反演对称性，是许多物理系统的基本性质，包括电磁、声学、弹性动力学、弹性力学等。打破与泊松比超过热力学极限相关的静态互易性可能为丰富机械系统的功能提供全新的机会。热力学极限是由线弹性区在无限小应变假设下得到的，然而非线性项的引入至今未能产生超过极限的泊松比。

近日，华中科技大学肖蜜教授和高亮教授团队展示了合成多模微尺度杠杆的自由形状自桥接超构材料，在线性材料中实现了超过热力学允许值的泊松比。通过自接触在微结构之间桥接狭缝产生微尺度杠杆的多重旋转行为，这打破了本构张量在不同载荷情况下的对称性和不变性，从而实现难以实现的变形模式。基于这些特性，揭示了一种打破静态互易性的体模式，为操纵静态力学中位移场的非互易传输提供了一种明确的、可编程的方式。除了非互易的泊松比，还实现了超大和阶梯状的值，这使得超构材料在拉伸和压缩下分别表现出正交的双向位移放大和膨胀。相关研究发表在《Nature Communications》上。（徐锐）

文章链接：

ZHANG J, XIAO M, GAO L, ALù A, WANG F. Self-bridging metamaterials surpassing the theoretical limit of Poisson’s ratios[J]. Nature Communications, 2023, 14(1).

https://doi.org/10.1038/s41467-023-39792-9

力学超构材料是经过精心设计的结构，其特殊的力学性能由其微结构和组成材料决定。对其材料和几何分布进行定制可释放出实现前所未有的整体性能和功能的潜力。然而，目前的力学超构材料设计在很大程度上依赖于经验丰富的设计师通过试验和错误获得的灵感，而研究其力学性能和响应则需要耗时的力学测试或计算成本高昂的模拟。然而，深度学习领域的最新进展彻底改变了力学超构材料的设计流程，无需事先了解即可进行性能预测和几何生成。此外，深度生成模型可以将传统的正向设计转化为逆向设计。最近许多关于深度学习在力学超构材料中的应用的研究都非常专业，其利弊可能并不明显。

近日，日本国立材料科学研究所、筑波大学的Xiaoyang Zheng和Ikumu Watanabe团队发表综述文章，旨在全面综述力学超构材料中深度学习（DL）技术的最新研究进展。本文可以为初学者提供对这一课题的见解，并从计算机科学的角度启发材料专家。典型的基于深度学习的过程涉及选择一个人工神经网络（ANN），使用数据集对其进行训练，然后使用训练好的人工神经网络。本综述论文是按照类似的结构来概述的。首先，解释了深度学习的基本概念，重点介绍了最先进的深度学习算法和框架。随后，介绍了用于制备力学超构材料数据集的流行建模方法和计算算法。此外，概述了利用深度学习在力学超构材料的性质预测、几何生成和反设计方面取得的突破性进展。最后，展望了深度学习如何促进力学超构材料的设计和制造，甚至有助于材料智能化的发展。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

文章链接：

ZHENG X, ZHANG X, CHEN T T, WATANABE I. Deep Learning in Mechanical Metamaterials: From Prediction and Generation to Inverse Design[J]. Adv Mater, 2023: e2302530.

https://doi.org/10.1002/adma.202302530

近年来，磁性Kagome金属因其不寻常的性质成为了一类备受关注的新材料。在电子结构方面，基于Kagome晶格构建的简单紧束缚模型显示出无色散的平带和Dirac锥，因此，这些材料理论上具有强关联、局域化的电子，以及拓扑态。将这些特性与磁性相结合可以使Kagome金属具有各种奇特的现象，而FeSn二元化合物族为实现这些新奇的现象提供了候选材料（如：FeSn、Fe₃Sn、Fe₃Sn₂）。对于Fe₃Sn₂，早期已有实验观察到了它的线性色散带和平带，而最近，有关研究发现了其重Dirac费米子、大的异常霍尔效应、室温下的斯格明子泡以及外加磁场可调的自旋结构等特性，这些性质均与其晶格和磁性结构特征密切相关。虽然，目前已有研究在光学表征结果中解释了Fe₃Sn₂的非平凡载流子动力学特征，其磁性拓扑序和强关联电子之间的相互作用尚待阐明。而从未来应用的角度考虑，理清这种相互作用中各部分的贡献与可调谐性是十分必要的。

近日，德国亥姆霍兹德累斯顿罗森夫道中心(HZDR)的Ece Uykur教授团队利用超快泵浦-探测光谱研究了Fe₃Sn₂中的载流子动力学和声子动力学，观察到Fe₃Sn₂中的两个载流子弛豫过程(τ₁和τ₂)和相干声子振荡。其中τ₁可以通过金属的双温模型解释为热载流子通过电子-声子散射将能量转移到晶格中的过程，而τ₂则无法用传统过程解释，通过对不同温度和泵浦功率密度下光谱数据的分析，研究者将其归因于材料中的非常规（局域化）载流子。除此之外，该团队在Fe₃Sn₂的超快泵浦-探测光谱中还观察到了显著的相干声子振荡信号，表明Fe₃Sn₂即使在室温下也存在强烈的电子-声子耦合。这种声子模式源自于大的光诱导载流子密度而导致的晶格的电子软化，具有异常大的振幅，类似于电荷密度波（CDW）系统，但作为铁磁Kagome金属，Fe₃Sn₂并未报道过存在CDW现象。该研究结果为人们理解Kagome金属中的电子-声子相互作用提供了新的见解，对于进一步研究和利用其特殊性质具有重要意义。相关工作发表在《ArXiv》上。（侯玥盈）

文章链接：

Gonçalves-Faria, M. V., et al. "Coherent phonon and unconventional carriers in the magnetic kagome metal Fe₃Sn₂."arXiv preprint arXiv:2307.05139 (2023).
https://doi.org/10.48550/arXiv.2307.05139

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