超材料前沿一周精选2023年5月15日——2023年5月21日

索引：

1.3D打印石墨烯基超构材料

2.3D打印的声学可编程柔性微驱动器

3.利用仿生软弹性超材料的自然听力重建

4.功能性折纸主动材料

5.星际航行中的机械能超构材料

6.多功能共生地衣-施瓦茨超材料的仿生和亲生物设计

7.Na₂Ba[Na₂Sn₂S₇]：结构容忍因子引导的 NLO 性能改进

8.极端的声子非谐波性是银铁矿Ag₈SnSe₆的超离子扩散和超低热导率的基础

先进的功能材料具有迷人的特性和扩展的结构设计，大大拓宽了其应用范围。超构材料表现出前所未有的物理特性（力学、电磁、声学等），被认为是物理学、材料科学和工程学的前沿领域。增材制造（3D打印）是一种新兴的、强大的制造技术，通过逐层添加材料，直接将计算机辅助设计模型转化为打印物体。3D打印技术在多个尺度上表现出高度可编程的结构特征、材料的灵活设计以及快速的批量制造能力，非常适合制造超构材料。具有不寻常特性的结构材料，如负泊松比、负热膨胀、负反射系数等，都可以通过3D打印技术实现。然而，随着人们对实现超构材料奇异特性的广泛关注，很少有人涉及组成材料所赋予的附加特性在应用中的重要作用。石墨烯，由于其优越的性能，如大的表面积、优异的导电/导热性和出色的机械性能，显示出很好的应用前景，可以在现有的超构材料中增加多功能，用于各种应用。随着3D打印石墨烯技术的发展，通过各种打印技术制备的石墨烯结构已经实现，制造3D打印石墨烯基超构材料已经不存在严重的技术壁垒。

近日，西北工业大学官操教授团队综述了3D打印石墨烯基超构材料的结构设计、打印方法、应用现状以及展望。首先介绍了超构材料的重要性，讨论了超构材料的结构设计，如力学超构材料、电磁超构材料、声学超构材料，以及石墨烯的主要打印方式。对3D打印石墨烯超构材料在电化学储能器件、响应器件和电磁波吸收器中的应用研究进行了分类讨论。最后，总结了3D打印石墨烯基超构材料面临的挑战和机遇，指出了结构优化、制备方法优化和应用拓展的方向。相关研究发表在《Small》上。（徐锐）

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DU J, FU G, XU X, et al. 3D Printed Graphene-Based Metamaterials: Guesting Multi-Functionality in One Gain[J]. Small, 2023: e2207833.

https://doi.org/10.1002/smll.202207833

软材料在外部的刺激，如光、热、力和磁场的作用下，可以改变其形状、刚度等物理属性，这使得它们可以实现传统刚性系统无法完成的功能。过往的研究中，研究人员已经研究了将磁场和光源作为能量来源的驱动器，而将声波作为软材料动力源的研究却很少，这项研究正是对这一领域的探索。

近日，洛桑联邦理工学院Mahmut Selman Sakar教授团队将单体打印的柔性结构转化为可编程的软机器人系统。相关研究将聚合物团进行空间分布，使其可以在超柔性梁上稳定地容纳单个气泡。通过调整聚合物的几何形状和材料结构，研究人员精确地控制了声波流体的相互作用，并通过构建双稳态结构证明了声波驱动系统与机械逻辑的兼容性。该研究为开发由声波驱动和控制的微型机械系统奠定了基础，为微型软机器人的发展和生物医学应用拓宽了道路。相关成果以“3D Printed Acoustically Programmable Soft Microactuators”为题发表在《Soft Robotics》上。（孙嘉鹏）

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https://doi.org/10.1089/soro.2021.0193

听觉在人类的日常生活中发挥着举足轻重的作用，失去听力意味着很难维持正常的生活。人工耳蜗是根据耳蜗生理原理开发的一种电子仿生装置，可以代替病变受损的听觉器官。由体外言语处理器将声音转换为一定编码形式的电信号传入人体的耳蜗，通过植入体内的电极系统直接刺激听觉神经纤维，可用于恢复或重建聋人的听觉功能。但由于没有速率编码和频率通道不足等原因，人工耳蜗的使用者通常只在相对安静的环境中有足够的沟通能力，很难完成从噪音中识别语音信号，区分不同的音调，欣赏音乐等基本的活动。

近日，华中科技大学臧剑锋教授团队提出了一种仿造人类耳蜗形状和关键功能的仿生软弹性超材料。受人类耳蜗的启发，该超材料被设计成具有分布在螺旋形状上的梯度微结构，具有很高的有效折射率，可实现与位置相关的频率解复用，10倍的声音被动增强效果，以及168通道声音/压电信号的高速并行处理。此外，使用这种超材料制造的自然听力人工耳蜗的频率分辨率高达30 Hz，可适用于150-12000 Hz的宽频范围，并产生可有效激活小鼠的听觉通路的输出电压。这项研究为重度听力损失患者自然听力的重建带来了新的希望。相关研究工作发表在《Advanced Science》上。（李治含）

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202207273

折纸能将2D板材转化为复杂的3D形状或将展开结构重塑为紧凑的折叠状态的能力，在不同的工程领域和研究领域引起了极大的关注和发展（如航空航天结构、超构材料、机器人等）。由于折纸的力学性能可以通过折纸图案的几何参数进行调节，因此可以设计具有超构材料等多种力学性能的结构。虽然折纸的可折叠性和形状可重构性提供了重要的结构可重构性，但驱动形状变化的传统方法在很大程度上依赖于手、马达或气动泵提供的机械载荷。在工程应用中使用手动加载往往是不切实际的，而电机和气动驱动系统往往体积庞大，需要复杂的控制，特别是对于高自由度驱动。另一方面，主动材料在响应外部刺激时可重新配置，无需外部机械载荷和笨重的驱动系统。近年来，主动材料，也称为刺激响应性材料或智能材料（如状记忆聚合物和合金、水凝胶、液晶弹性体等），为可重构系统的驱动提供了替代策略。这些材料及其含功能基团/填料的复合材料对外界刺激包括光、热、电场或磁场以及pH都有响应。利用主动材料，传统折纸被发展为主动折纸。这些由刺激响应材料驱动的折纸系统具有体积较小的优点，因为它们不需要电机或其他外部驱动器，重量轻、可编程、远程可控或无绳的，以及能够选择性或分布式驱动。这些优点可以使其在远程或生物空间的应用成为可能，而传统的驱动系统在这些地方是不可行的。

近日，美国佐治亚理工学院H. Jerry Qi教授和美国斯坦福大学赵芮可教授团队讨论了诸如形状记忆聚合物和合金、水凝胶、液晶弹性体、磁性软材料和共价自适应网络聚合物等主动材料，它们的驱动机制，以及它们如何被用于主动折纸和这些结构的应用。鉴于最近对刺激响应材料及其应用、折纸理念功能设计和折纸建模的许多优秀综述，本综述将重点总结由主动材料驱动的折纸系统的最新进展。定性地讨论了不同的折纸机制、材料类型及其驱动机制，以及主动折纸系统的先进制造及其应用。首先简要总结了折纸结构实现的常见折纸机构和不同铰链设计策略。下面介绍了主动材料的驱动机理及其应用。然后，介绍了主动折纸系统的制造方法，包括模具铸造、增材制造和微纳尺度制造。接着，简要回顾了指导主动折纸设计的理论框架，包括结构建模和材料本构关系。最后，讨论了主动折纸领域的挑战和未来前景。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）

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LEANZA S, WU S, SUN X, et al. Active Materials for Functional Origami[J]. Adv Mater, 2023: e2302066.

https://doi.org/10.1002/adma.202302066

人类文明史受到工具发展的影响，这些工具主要由石头、木材、金属等自然材料制成，它们的力学特性在特定范围内受到严重限制，而且天然材料通常必须面对物理性能和机械性能之间的权衡挑战。因此，人们迫切希望开发可调控的人工材料，以拓展天然材料物理力学性能的局限性。力学超构材料为由微结构单元周期性组装而成的具有非凡力学特性的结构材料。具有超常力学特性的力学超构材料和具有优异电学性能的能源材料（如能量收集和能量吸收）的快速发展，引领了未来先进能源超构材料的发展方向。机械能超构材料是在材料层面上对力学超构材料中的能量材料进行设计，已被报道具有良好的机械性能、良好的激励敏感性和增强的电学性能，为各种激励下的能量收集（如机械波、声源）和能量吸收和耗散打开了一个令人兴奋的场所。机械能超构材料被提出用于在太空探索中使用宇宙环境等传统方法难以产生电能的极端条件下进行能量收集。太空探索利用航天技术的快速发展，被认为是近年来宇宙研究的前沿成果之一。然而，目前的火箭推进技术由于需要数十到数百万年的飞行时间才能完成太空任务，严重限制了到达邻近行星的可能性。纳米飞船是通过地面激光辐射的激光束来加速的。尽管纳米飞船设计有各种克级的微/纳米系统，以尽量减少推动力的消耗，但基于电池的常规能源资源的定期充电仍然导致长期星际航行的严重能量限制。机械能超构材料为解决功率挑战提供了一种可替代的能源解决方案。然而，对机械能超构材料的能量收集性能的研究还不够充分。

近日，浙江大学焦鹏程教授全面概述了机械能超构材料的出现和发展，并讨论了其在宇宙环境中能量收集的潜力和应用范式。首先概述了力学超构材料的出现和发展，讨论了力学超构材料的种类和力学特性，以及在能量收集应用中的优势和挑战。接下来，我们考虑星际航行中的宇宙环境，并据此分析主要的能源挑战，并研究有效的能量收集技术的严格设计准则。最后，定义了在纳米飞行器中应用机械能超构材料进行能量收集所需的途径，并展望了新兴的纳米空间能源系统（nano-SES）在未来星际航行中的能源创新。这篇文章解释了机械能超构材料表现出哪些非凡的机电特性以及为什么；纳米飞行器在星际航行中预计将面临哪些功率限制，以及为什么机械能超构材料可以成为宇宙环境中的潜在能源解决方案；以及如何超越机械能超构材料在能源材料发现和结构优化方面的技术问题。本文的目的是对机械能超构材料的当前进展建立一个广阔的视角，同时特别展望解决星际航行中的能源挑战的未来方向。（徐锐）

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JIAO P. Mechanical Energy Metamaterials in Interstellar Travel[J]. Progress in Materials Science, 2023.

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101132

近年来，随着人类科技与工业的不断发展，环境的污染水平不断上升，对包括人类在内的生物造成了重大影响。除了化学污染外，噪音污染也是与人类日常生活密切相关的环境污染之一，可能会导致听力损失、睡眠障碍、焦虑、注意力缺陷等一系列负面影响。为解决建筑内部噪音污染问题，人们设计了多种多样的声学超材料以实现隔声或者吸声。除此之外，湿度也是影响室内环境舒适度的一个重要因素。如何设计一种多功能材料实现对多种环境舒适度因素的控制是一个挑战。

近日，韩国科学技术院(KAIST)Il-Kwon Oh教授团队，设计了一种新型的仿生和亲生物的地衣—施瓦茨超材料(SLSM)设计，该超材料在噪音衰减和湿度控制方面实现了多功能特性。SLSM将经过隔声设计的三重周期最小表面与自然界中生长的植物地衣相结合，声学超材料不仅可以实现宽频隔声也为地衣的生长提供了外壳和外骨骼，其内部生长的地衣可以在干燥脆性状态和湿润弹性状态之间转化，可以控制环境的湿度，并且这种植物可以在更宽的频带范围内提供更佳的隔声性能。这种人工结构与植物共生的多功能声学超材料可以实现噪声与湿度的双重控制，为实现绿色、生物友好、可持续发展的建筑材料提供了新的方案。相关工作发表在《Advanced Functional Materials》上。（刘帅）

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Saatchi, D., Oh, S., Oh, I.-K., Biomimetic and Biophilic Design of Multifunctional Symbiotic Lichen–Schwarz Metamaterial. Adv. Funct. Mater. 2023, 2214580. https://doi.org/10.1002/adfm.202214580

在高性能红外非线性光学硫族化合物中，由于关键参数(如带隙(Eg)和二阶谐波产生(SHG))的强相互耦合甚至相反的变化，导致了高性能红外非线性光学硫族化合物的极端稀缺性。研究团队报告了8种新的硫化物，Na₂Ba [(AgxNa_1-x)₂Sn₂S₇]，x = 0.1系列，x = 0.1-0.6; Na₂Ba [(Li0.58 Na0.42)₂Sn₂S₇] ，1-0.6 Li) ; Na₂Sr [ Cu₂Sn₂S₇] ; 和 Na₂Ba [ Cu₂Sn₂S₇]。研究人员使用结构容忍因子来连接化学成份、晶体结构和非线性光学特性。在这些相关性的指导下，Eg 和 SHG 之间实现了更好平衡，其表现出3.42 eV 的大 Eg 和优异的 NLO 性质(SHG: 1.5 × AGS; 激光诱导损伤阈值: 12 × AGS) ，代表迄今为止已知的无汞或无砷硫化物中的最佳性能。

近期，北京师范大学陈玲教授和吴立明教授研究团队对 II-[I2-IV-Q4]（ I，II 和 IV 分别代表 +1，+2 和 +4 价）硫属化合物家族进行探索，发现了 8 个新的化合物，其中 Na₂Ba[Na₂Sn₂S₇]表现出 1.5×AGS 的大 SHG  和 12×AGS 的高激光诱导损伤阈值，同时满足大 SHG 和高 LIDT 的要求。该研究为未来合成和寻找新的 NLO 硫属化合物提供有益的启示。相关研究成果以“Na2Ba[Na2Sn2S7]: structural tolerance factor-guided NLO performance improvement”为题发表在《Angewandte Chem》上。（郑佳慧）

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DOI: 10.1002/anie.202218048

超低的导热系数和快速的离子融合性，使超离子材料具有作为热电转换器和固态电解质的优异性能。然而，由于对它们复杂的原子动力学的理解有限，这两个特征之间的相关性和相互依赖性仍然不清楚。作者利用同步x射线和中子散射技术以及机器学习的分子动力学，研究了银石Ag₈SnSe₆中的离子融合和晶格动力学。研究团队确定了移动Ag振动动力学的关键相互作用，以及一个主框架，控制低能量Ag主导声子的过阻尼成为准弹性响应，从而实现优越性。与此同时，长波长横向声子在超电子跃迁过程中的持续存在，对所提出的“液体样热传导”图提出了挑战。相反，低能声子的显著热展宽，甚至低于50 K，揭示了极端的声子非谐性和弱键合，这是导致超低热导率（<0.5 Wm⁻¹K⁻¹）和快速消射的势能面的潜在特征。研究结果为能量转换和存储的超子材料的复杂原子动力学提供了基本的见解。

在过去的十年中，许多研究试图揭示超离子热电材料的超低晶格热导率的原子机制，包括弱化学键和低声速，大单元和声学声子的低截止值，强声子非谐波性或声子准粒子的选择性击穿，响铃般的声子阻尼和液体般的热传播。上海交通大学Ma Jie、杜克大学Olivier Delaire、同济大学Pei Yanzhong等人使用同步加速器X射线和中子散射技术以及机器学习的分子动力学研究了银铁矿Ag₈SnSe₆中的离子扩散和晶格动力学。超离子固体是介于有序晶体和无序液态之间的物质状态，同时在不同的子晶格上表现出长程有序和短程无序的特征。这些固体通常建立在一个刚性的框架结构上，具有大的、连通的间隙空间，其中的弱键离子可以在浅的势垒上有序化，或以液体般的扩散性脱域。超离子材料往往表现出超低的晶格热导率，而刚性框架结构支持电传输，使其具有出色的热电性能。研究团队确定了Ag的振动动力学和控制低能量Ag主导的声子过度衰减为准弹性响应宿主框架之间的关键相互作用，从而实现了超电离。同时，发现了低能声子在50K以下开始的热增宽现象，从而揭示了声子非谐性和弱键合作用作为导致超低热导率和快速扩散的根源。该研究结果为用于能量转换和存储的超离子材料中复杂的原子动力学提供了基本的见解。相关研究成果以“Extreme phonon anharmonicity underpins superionic diffusion and ultralow thermal conductivity in argyrodite Ag8SnSe6”为题发表在《Nature Materials》上。（郑佳慧）

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DOI: 10.1038/s41563-023-01560-x