超材料前沿研究一周精选 2022年6月1日-2022年6月5日

3D打印有望用于制造复杂结构组件。近年来，光学制造领域对快速成形的精密光学元件进行了大量的研究。然而，制造效率、形状精度和表面粗糙度是3D打印组件用于高性能光学应用的固有限制。不同于双光子聚合(TPP)中的逐点扫描和基于喷墨的打印方法，采用逐层逐层方法的投影立体光刻被认为是一种更有效的高速制造折射率聚合物透镜的方法。虽然分层投影立体光刻技术将制造效率提高了1000倍，但由于每层组件分离和树脂填充速度缓慢，打印毫米透镜仍然需要数小时。为了节省每一层的停留时间，研究人员开发并引入了利用液滴表面或三相接触线的死区连续生产透镜的3D打印技术。利用打印组件的连续向上运动，毫米级透镜的打印时间显著减少到分钟。在这个连续的过程中，打印的分辨率和速度仍然是两个冲突的因素。此外，由于向上运动是必不可少的，需要一个昂贵的精密位移台，以保证打印的最终组件的准确性。与基于分层打印方法不同，在树脂基质内的体积3D打印方法有望实现高效的一步制造复杂组件。对于单透镜，通常根据物体的表面形状来控制光线，即自由曲面或图案曲面。因此，与其对三维结构组件进行复杂的空间光场操作，研究人员将具有调制能量分布的紫外(UV)光投射到可光固化树脂中，这是一种简单而有前景的透镜一步体积打印方法。然而，打印效率、形状精度和表面光洁度仍然是一个挑战。

近日，南京理工大学机械工程学院朱志伟教授等人研究通过协同体投影立体光刻、弯月面平衡效应和迭代学习方案，开发了一种低成本的体3D打印方法，可用于亚纳米级粗糙度的微型透镜的超快、高精度制造。通过在迭代学习中将覆盖的液体薄膜作为打印透镜的一部分，在没有任何3D打印过程的先验知识的情况下，打印的透镜实现了微米级的低形状误差。实验结果表明，在2 s内直接打印出毫米级球面透镜，峰谷轮廓误差小于5 μm，亚纳米粗糙度rms = 0.614 nm，成像分辨率为203.2 lp mm -1。改研究表明，除了快速成型，开发的3D打印策略适用于大规模生产精密透镜。相关研究工作发表在《Advanced Optical Materials》。（丁雷）

文章链接：

Ya Xu, et al. Low-Cost Volumetric 3D Printing of High-Precision Miniature Lenses in Seconds, Adv. Optical Mater. 2022. DOI: 10.1002/adom.202200488.

在过去的几十年里，人工微结构的研究，包括声子晶体、超材料和超表面，激发了许多有趣的现象。此外，随着凝聚态物理领域的量子霍尔效应(QHE)、量子自旋霍尔效应(QSHE)和谷霍尔效应(VHE)的发展，研究人员对光子晶体、声子、力学和准周期等系统的拓扑序进行了广泛的研究。

承载拓扑边界态的人工声学系统的出现，将声学人工结构的研究推向了一个新的高峰。与传统的人工声学结构不同，声学拓扑绝缘体(ATIs)的非传统声学边界模式使声波在结构中传播具有无后向散射和缺陷免疫的特点，为声学器件的设计和开发提供了一种新的途径和方法。研究人员基于这一特点，设计了多种不同的功能结构，如可编程逻辑开关、定向接收和传输声学天线、慢波控制和延迟线、数学运算、拓扑泵浦、与超表面结合的非对称声传输等。然而，虽然有很多报道声拓扑绝缘体的设计和一些相应的实验测量，但由于设计结构的复杂性和麦克风测量方法的局限性，声拓扑绝缘体的内部声场，特别是独特的边界态，没有直观地验证。

近日，北京大学工学院的裴永茂教授团队利用粒子来快速直观地表征结构内部声场的分布。同时，实验验证了声拓扑绝缘体边界的伪自旋和缺陷免疫特性。在此基础上，该方法可以实现对颗粒和液滴的旋转控制。相关工作发表在《 Applied Physics Letters》上。并被选为编辑推荐文章。（郑江坡）

文章链接：

doi: 10.1063/5.0091755

结构层次增加了动物骨骼和人工网络材料的机械刚度，减轻了承重结构的重量，允许将空气有效地输送到肺泡和血管系统中的液体，将光场限制在深亚波长范围，并为减少应变材料的机械耗散提供了独特的机会。当结构层次在不同尺度上具有自相似性时，就会产生分形特征。自相似机械谐振器可以具有与非整数维一致的声学模式密度，类似于具有尺度不变性的天然化合物的光谱，如蛋白质、二氧化硅气凝胶和玻璃等。由于耗散稀释的影响，应变机械谐振器可以具有超低耗散，从而通过张力稀释固有材料摩擦。这一现象首先在引力波探测器的镜面悬浮液中进行了探索，在过去十年中，已被用于减少纳米尺度的耗散。耗散稀释受到谐振器几何形状的强烈影响，这为减少机械损耗提供了一种实用的方法。基于声子晶体的软箝位和弹性应变工程取得了实质性的改进，使非晶纳米机械设备能够接近最低耗散宏观振荡器的品质因子（约10⁹），如单晶石英和蓝宝石体谐振器。然而，这些技术仅适用于弦和膜的高阶模式（~ 10到100），这给量子光力学带来了实验限制，例如互调噪声和低阶机械模式的不稳定性。此外，由于所需的设备尺寸较大（100 kHz范围为几十毫米），声子带隙工程在低频率下是不切实际的。

近日，来自瑞士洛桑联邦理工学院物理研究所（EPFL）的M. J. Bereyhi等人将分层设计应用于氮化硅纳米机械谐振器，实现了室温107 kHz频率下品质因子高达7.8×10⁸（T=6 K时为1.1×10⁹）的二叉树形谐振器。谐振器的热噪声限制力灵敏度在室温下达到740 zN/Hz^1/2，在6 K下达到90 zN/Hz^1/2，超过了目前用于力显微镜的悬臂。此外，他们还展示了适用于Fabry-Pérot腔干涉位置测量的分层结构超低耗散膜。分层纳米机械谐振器在力传感、信号转导和量子光力学领域开辟了新的途径，在这些领域中，低功耗是最重要的，使用基本模式操作通常是有利的。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。(詹若男)

文章链接：

M. J. Bereyhi et al. Hierarchical tensile structures with ultralow mechanical dissipation. Nature Communications (2022) 13:3097

https://doi.org/10.1038/s41467-022-30586-z

捕蝇草是一种肉食性植物，原产于北美东海岸的亚热带湿地。因其通过快速关闭陷阱捕获猎物的惊人能力而著名，捕捉过程（突弹跳变）可以在100 ms内完成。突弹跳变运动依赖于液压细胞过程的“智能”组合，以及由于内部生长过程和静水压力引起的预应力产生的储存弹性能量的快速释放，从而触发跳变。突弹跳变运动本身是一种机械不稳定现象，会影响陷阱的双曲叶。相比之下，陷阱重新打开是一个慢得多的过程，其持续时间取决于陷阱在关闭后是否仍然是空的，或者在猎物（主要是节肢动物）的机械刺激后是否成功捕获了食物。在前一种情况下，空陷阱将在16-44小时内重新打开，为下一个狩猎周期做准备。在后一种情况下，陷阱形成一个消化腔来吸收猎物的营养，从而将重新打开的时间平均延长到5-7天。捕蝇草的突弹跳变涉及叶片的弯曲和突然曲率反转，但这些捕蝇草是如何重新打开的？到目前为止，关于捕蝇草中陷阱重新打开机制的细节仍然是推测性的，其主要假设是由膨胀和细胞生长驱动的。

近日，德国弗莱堡大学Grażyna M. Durak团队研究了双稳态捕蝇草叶片（陷阱）重新打开的机制。他们克隆了2个不同的捕蝇草，正常大小陷阱（N型，3 cm）和大陷阱（L型，4.5 cm）。延时实验表明，N和L陷阱都可以通过平滑且连续的向外叶弯曲重新打开，但只有L陷阱可以进行平滑弯曲，然后产生更快的突弹跳变。此外，L陷阱可以异步重新打开，其中一个叶片在另一个叶片之前移动。这项研究挑战了目前关于陷阱重新打开的共识，即将其描述为一个缓慢、平稳的过程，由水力学和细胞生长和/或扩张驱动。基于3D数字图像相关（3D-DIC）、形态学和力学研究的结果，提出陷阱重新打开的差异源于单个陷阱的大小和细度的组合。本研究阐明了著名的捕蝇草跳变陷阱的重新打开过程——独特的形状变化结构，对植物生物力学、功能形态学和仿生应用（如软机器人）有很大的兴趣。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）

文章链接：

G. M. Durak, R. Thierer, R. Sachse, et al. Smooth or with a Snap! Biomechanics of Trap Reopening in the Venus Flytrap (Dionaea muscipula)[J]. Advanced Science, 2022.

https://doi.org/10.1002/advs.202201362

形状可编程的软致动器可以通过形态变换完成复杂的任务。软器件可以改变其几何结构以获得所需的时变形状，有可能创造出超越传统机器的力学功能。使用这些驱动原理生成局部变形，如弯曲、屈曲或折叠将平板变形为3D表面。形状编程的常见策略是制造2D聚合物薄片并将其变形为3D几何形状。许多策略已被证明可用于复杂的形状转换。它们中的大多数从制造状态切换到一组预定义的3D几何图形。对于这些系统，最终形状通常在制造时确定，不能重新编程。具有多重形状转换的系统可以解决更广泛的机器人挑战。由于其柔顺性，软系统在相对较小的力驱动时会表现出较大的刺激诱导的形状变换。然而，这些软系统无法承受较大的外部负载。因此，软形状变形系统的一个主要限制是其机械刚度低，这大大限制了其应用。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院Herbert Shea教授团队展示了与形状记忆聚合物（SMP）薄膜集成的分段软电磁致动器，能够变形和锁定成各种构型。该器件由弹性体外壳中的液态金属线圈组成，层压在两个形状记忆聚合物薄膜之间。线圈由狭窄的接头连接，在接头上有可伸缩加热器的图案。加热形状记忆聚合物会大大降低其刚度。在磁场存在的情况下，驱动电流通过液态金属线圈会导致大的弯曲或扭曲。冷却形状记忆聚合物锁定形状，从而提高承载能力。从最初的扁平器件获得复杂的形状。设计的器件具有与三个关节相连的三个部分，代表具有多个自由度的可变刚度机器人手指。段和关节的数量可以按比例增加以增加变形的复杂性或开发具有2D致动器阵列的可重构表面。相关研究发表在《Science Advances》上。（徐锐）

文章链接：

B. Aksoy, H. Shea. Multistable shape programming of variable-stiffness electromagnetic devices[J]. Science Advances, 2022, 8: eabk0543.

DOI: 10.1126/sciadv.abk0543

光子结构，如波导、分束器和滤波器，代表了一个重要的光学元件和器件家族，对紧凑型(如片上)光的产生和操纵至关重要。对于光通信应用，这些组件的关键特性包括带宽、可重构性和信道容量。后者可以通过利用光波的额外自由度(如偏振态)来增强。对于多模波导，则可以增强其模式折射率。光子的额外自由度可以用于各种重要的任务，包括为量子信息科学应用创建纠缠态。然而，使用多模波导还存在许多挑战。例如，不同的模式因其传播速度而不同，导致信息携带脉冲之间的时间分离。此外，对一种特定模式的优先耦合通常需要发射极特性，如其偶极跃迁的方向和在波导内的空间位置，才能在很大程度上匹配该模式的电磁分布，而与其他模式的电磁分布不匹配。

近日，美国康奈尔大学的Gennady Shvets教授团队证明了线极化类偶极子源可以选择性地激发具有期望谷自由度的拓扑鲁棒边界模式。本文还提出了无反射的谷极化边界模式路由到两个空间分离探测器的可重构分裂比。这种光源的光学实现将有扩大拓扑光子器件应用的潜力。相关工作发表在《 Applied Physics Letters》上。并被选为编辑封面文章。（郑江坡）

文章链接：

doi: 10.1063/5.0083989

神经形态计算（Neuromorphic computing）是一种受人脑启发的计算范式，可实现节能且快速的人工神经网络。为了处理信息，神经形态计算直接模仿人脑中生物神经元的操作。为了用电子设备有效地模仿生物神经元，基于忆阻器的人工神经元因其结构简单、能量效率高、可扩展性好而备受关注。然而，忆阻器的不可靠性问题一直是基于忆阻器的人工神经元和神经形态计算发展的主要障碍之一。

近日，来自韩国高级科学技术研究所（KAIST）电气工程学院的See-On Park等人展示了一种不带晶体管器件的忆阻器1R交叉阵列，用于单个忆阻器访问，具有低变化、100%成品率、大动态范围以及用于人工神经元和神经形态计算的快速速度。在所研制的忆阻器的基础上，他们通过实验证明了一种基于忆阻器的神经元，该神经元具有漏积分和发射特性，具有出色的可靠性。此外，他们基于所开发忆阻器的短期记忆效应开发了一种神经忆阻计算系统，用于高效处理序列数据。他们的神经忆阻计算系统在使用少量训练参数的情况下成功训练并生成生物医学序列数据（抗菌肽）。他们的结果开辟了基于忆阻器的人工神经元和神经形态计算系统的可能性，这对于高效节能的边缘计算设备至关重要。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

See-On Park et al. Experimental demonstration of highly reliable dynamic memristor for artificial neuron and neuromorphic computing. Nature Communications (2022) 13:2888

https://doi.org/10.1038/s41467-022-30539-6

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除），所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。