超材料前沿研究一周精选 2022年2月8日-2022年2月13日

耗散型克尔孤子(DKSs)是由腔体损耗和外泵的双平衡以及腔体色散和Kerr非线性构成的一种时空局域的光波结构，由此产生了微谐振器光频梳。在过去的几年中，微谐振器DKSs的研究得到了显著的发展，在光谱学、测距、计时和并行光子处理等范围应用广泛。在许多应用中，反馈控制用来稳定DKS的重复频率，而另一种使用周期泵送波形来同步DKS的替代方法已经实现了相当大的频率漂移抑制，导致了天体光谱仪校准、确定性的单孤子状态引发以及射频信号的非线性滤波的成功演示。然而，在以往的这些工作中，高效微波合成是生产周期性泵场必不可少的，这大大增加了系统成本和占地面积。基于延迟正反馈回路的光电振荡器(OEO)是一种能够产生稳定微波信号的简单、廉价的器件。由于可以通过增加低损耗光延迟线的长度来提高反馈回路的品质因子(Q)，因此通常采用几公里到几十公里长的光纤来研制具有超低频漂移和相位噪声的OEOs。尽管具有明显的优点，但长光纤延迟线同时也引发了严重的侧模振荡问题。

近日，来自瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)物理研究所、Adelaide大学光子学和高级传感研究所(IPAS)和物理科学学院的Wenle Weng等人利用偏置电流调制的半导体增益开关激光器(GSL)作为光源，开发了一种OEO，可以产生稳定的微波频率，接近于晶体微谐振器中DKSs的重复频率。利用这种自启动的微波信号作为泵浦激光调制的射频源，他们创建腔内相位梯度作为孤子镊捕获DKS，从而使DKS重复频率与OEO频率同步。他们的实验表明，这样的同步允许减少孤子重复率漂移高达2个数量级。此外，同步DKSs的光检测再现了在偏移频率超过7 kHz时带有净化相位噪声的OEO频率。特别是，OEO强烈的侧模振荡被抑制了至少17 dB。为了验证实验观测结果，他们还对光电观测系统进行了广泛的建模和DKS动力学数值模拟，结果表明捕获的DKS可以作为不同类型光电观测系统的侧模抑制器。实验和理论证明，该混合系统可以同时产生一个减少漂移的微梳和一个光谱净化的光电振荡器，为微波和光学计量提供了一个低成本的工具包。相关研究工作发表在《PHYSICAL REVIEW APPLIED》上。（詹若男）

文章链接：Wenle Weng et al. Microresonator Dissipative Kerr Solitons Synchronized to an Optoelectronic Oscillator. Physical Review Applied 17, 024030 (2022)

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.024030

超材料能够产生特殊的静态和动态行为(例如负有效质量密度、动态刚度和泊松比)，这是由于它们的几何形状而不是化学成分。这些超材料的几何形状可以被认为是材料的相，通常来说，一旦材料被制作之后，材料的相通常是固定的。虽然对于可以改变相位或可重编程的超材料有许多理论和数值研究，但由于可制造性、重编程的破坏性和固有的非线性等方面的挑战，实验实现仍然有限。

近日，来自美国康涅狄格大学（UConn）机械工程系的Audrey A. Watkins等人通过结合分析、数值和实验分析，利用可调谐的、自组装的非线性磁晶格来实现具有可逆相变的超材料。他们的超材料是由自由浮动的磁盘，嵌入永磁体，限制在磁边界内。他们利用可调节磁边界的非破坏性特性来创造一组可重新编程的超材料来控制声波的传播。此外，他们演示了一个鲁棒性的，在超低频率可实时调谐的滤波器。他们的发现拓宽了超材料在功能性和可调设备上的视野。相关研究工作发表在《PHYSICAL REVIEW APPLIED》上。（詹若男）

文章链接：Audrey A. Watkins. et al. Harnessing Reprogrammable Phase Transitions to Control the Propagation of Sound Waves. Physical Review Applied 17, 024036 (2022)

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.024036

电磁环境正变得越来越复杂和拥挤，这给依赖电磁波进行通信、传感或成像的系统带来了越来越大的挑战，尤其是在混响环境中。可编程超表面的使用提供了一种潜在的导波方式，可根据需要优化无线信道，确保可靠运行并保护敏感的电子元件。

近日，美国马里兰大学电子与应用物理研究所Benjamin W. Frazier等人介绍了一种技术，它将深度学习网络与二进制可编程超表面相结合，在复杂的混响电磁环境中塑造波，特别是在没有直接视线的环境中。研究人员将这种技术应用于波前重建和控制，并根据混沌微波腔中测量的系统散射响应精确确定超表面结构。即使在深度学习算法之前未发现的情况下，也成功地确定了实现所需电磁波场分布特性的超表面状态。该技术是由腔体的混响特性实现的，并且对于仅覆盖腔体总面积约1.5%的超表面有效。研究人员表示他们证明了深度学习的波前重构为实现智能无线电环境中的智能可重构超表面提供了重要的一步。电磁学领域的潜在应用包括无线功率传输、敏感电子元件的保护、无线网络的优化、物体的微操控和非线性时间反转。该技术适用于一般的波混沌散射系统，并不严格限于电磁波。采用这种技术控制与地震波或量子波相互作用的超表面的系统散射响应，将开启波混沌系统的许多创新应用。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）

文章链接：Benjamin W. Frazier et al. Deep-Learning Estimation of Complex ReverberantWave Fields with a Programmable Metasurface. Physical Review Applied(2022).

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.024027.

轻质3D微纳米晶格是一种很有前景的低密度材料，具有显著的机械和功能特性，在隔热、电池电极和能量吸收等领域具有广泛的应用。近年来，增材制造技术（如投影微立体光刻技术和双光子光刻技术）实现了聚合物、金属和陶瓷超构材料。另外，还定义了有效特性，并广泛报告了其模量和压缩行为。随着制造工艺的发展，评估它们对制造缺陷和损坏的耐受性至关重要，统材料用断裂韧性来进行评估的。然而，对3D超构材料韧性的理解和测量仍然难以捉摸，部分原因是迄今为止无法制造具有足够数量的周期性晶胞的样品，从而能够产生所需的裂纹尖端K场。之前的所有工作都先验地假设这些想法扩展到桁架型3D超构材料，并使用成熟的实验和理论方法来估计K_Ic（断裂韧性）。

近日，英国剑桥大学Vikram Sudhir Deshpande教授团队使用了一种以拉伸为主的超构材料，该超构材料由一个支柱网络组成，其中节点排列在面心立方（fcc）晶格中：所谓的八角桁架。使用大面积投影微立体光刻系统完成了由近1000万个周期性单元和小至150 μm的单元组成的大型3D试样的制造，其中每一层都是通过连续移动的投影制造的，以便分段固化。该系统采用动态、协调的光学扫描系统，将2D切片连续投影和扫描到紫外线固化的光致聚合物上，以生产具有微尺度分辨率的大规模3D零件。这使能够制造具有嵌入裂纹和足够数量的晶胞的试样，从而形成K场，进行一系列有效的断裂韧性测量。结果表明，有限的单元尺寸限制了奇异应力的发展，因此仅K_Ic不足以表征断裂。通过测量的组合，包括原位X射线计算机断层扫描（XCT）观察和大规模数值模拟（具有数十亿自由度），这说明K_I和所谓的T-应力的组合完全表征在各种试样密度、母材、单元尺寸和裂纹尺寸以及加载配置下的断裂机制。该框架可以构成其他离散弹性脆性固体中断裂表征的基础，打破了这些固体中断裂韧性的概念。相关研究发表在《Nature Materials》上。（徐锐）

文章链接：

A. J. D. Shaikeea, H. Cui, M. O’Masta, et al. The toughness of mechanical metamaterials[J]. Nature Materials, 2022.

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01182-1

刚度可调的形状变形材料是新兴技术的关键部件，这些系统可以在不消耗能量的情况下保持形状，并在多个状态之间可逆地切换。创建这种变形系统的方法是使用包含设计几何特征的平板。由于剪纸网络中细长结构驱动的能量有利弯曲模式，这些系统对形状变形特别有吸引力，而连续膜的变形主要由拉伸模式控制，拉伸模式可能导致结构坍塌。由于结构通常是双稳态的，双稳态超构材料可实现的形状通常是由规定的设计和特定的负载条件预先决定的，弹性恢复需要施加载荷来保持配置，使得系统的可重构性和可逆性是有限的。此外，均质薄板的承载能力和高变形能力之间的内在权衡限制了需要显著形状变化和结构强度的软物质工程应用。创建变形系统的另一种方法是控制整个片材的材料属性。这通常通过异质材料刚度调整变形或将响应材料放置在指定位置来实现。可以通过外界刺激来驱动，然而，如果没有不断施加的刺激或能量输入，就无法获得具有这些机制的变形。克服有限形状可重构性的一种方法是利用可变刚度材料。然而，连续的膜几何形状会限制形状的固定性，由于热扩散，通过熔化和冷却来保持不同的配置是缓慢的。

近日，美国弗吉尼亚理工大学Michael D. Bartlett团队介绍了一种具有可逆和快速多态3D可重构性和可编程刚度的形状和刚度变形材料。该材料可以迅速（<0.1s）变形成承重配置，且通过相变进行形状/刚度重构和自我修复。该团队创造了一种剪纸复合超构材料薄片，通过弹性剪纸结构的非线性变形协同地结合了形状变形，通过嵌入式低熔点合金（LMPA）的可塑性和相变的非线性材料响应的形状固定，以及与集成加热器触发LMPA中的相变以弹性恢复塑性变形。这种剪纸复合材料克服了可变形性和承载能力之间的权衡，并消除了维持重新配置形状的电力需求。通过与机载控制、电机和电源集成来展示这种材料，以创建一个软体机器人变形无人机，它可以自主地从地面转变为飞行器和水下变形机器，可以可逆地部署以收集货物。相关研究发表在《Science Robotics》上。（徐锐）

文章链接：

D. Hwang, J. Barron Edward, A. B. M. T. Haque, et al. Shape morphing mechanical metamaterials through reversible plasticity[J]. Science Robotics, 2022, 7(63): eabg2171.

DOI: 10.1126/scirobotics.abg2171

4D打印作为增材制造技术的一个重要分支，其赋予了静态打印结构动态属性。作为一种智能制造的技术，4D打印构件形状、性能或者功能在外界环境（热、光、pH、水分、电和磁场等）的刺激下随时间或空间发生可控变化，具有自感知、自执行的智能化特点。因此，4D打印技术已经成为开发智能系统、智能设备、智能包裹、自折叠材料、超材料、生物医药工程以及软体机器人等前沿研究的一个强大的工具。然而，目前大部分关于4D打印的研究集中在构件形状的变化，对于性能和功能的集成化已成为新的发展趋势；除此之外，4D打印形状记忆材料的制造往往在宏观尺度与微尺度上制备往往是相互独立的。在材料水平上，如何通过简单通用的形状记忆材料配方，实现在两种尺寸范围内4D打印可编程结构:宏尺度和微尺度。如何通过材料组合的思想制备性能变化、功能变化的柔性4D打印器件仍然是一个具有挑战性的难题。 

近日，海森堡大学Eva Blasco团队提出了一种新颖的、多用途的形状记忆油墨打印系统，分别采用数字光处理(DLP)和直接激光书写(DLW)打印技术实现了在宏观和微观尺度下的4D打印。重要的是，在两种尺寸下，所有的三维结构都表现出良好的形状固定、形状恢复和重复性良好的形状记忆效应，并与两种打印技术兼容。该方法为设计宏观尺度与微观尺度兼容的4D打印材料提供了一种全新的思路，在智能设备、智能包裹、自折叠材料、超材料、生物医药工程等领域具有潜在的应用前景。相关工作发表在《Advanced Functional Materials》上。（何玉龙）

文章链接：Christoph A. Spiegel, Maximilian Hackner and Eva Blasco, et al. 4D Printing of Shape Memory Polymers: From Macro to Micro [J].  Advanced Functional Materials.2022,2110580. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202110580

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