今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及扩散性扭结将剪纸变成机器,机械网络中拓扑边界态和角态的无模型表征等,敬请期待！
索引：
1 扩散性扭结将剪纸变成机器
在材料科学中，从发生相变的铁电和形状记忆合金到发生机械不稳定性的柔性超构材料，都会遇到扭结。这类超构材料通常由串联梁、剪纸、铰链机构和充气结构组成。控制超构材料中的扭结运动为实现按需机械任务（如逻辑、运动和形状变化）提供了广阔的前景。然而，在力学中，扭结运动的机制要么是惯性，要么是外部载荷。因此，在运动阻尼过大的情况下，如果不对材料持续加载，就不可能观察到移动的扭结。不过，如果材料对刺激有反应，也有例外情况，这在自然界中很常见。植物对湿度或触觉有反应。一个值得注意的例子是含羞草：当触摸含羞草的叶子时，它的叶子通常会在几秒钟内依次折叠起来，从而产生一个流动的机械波。这是一种扩散扭结：叶子的闭合和张开可以描述为两种稳定构型之间的转换，而顺序折叠的传播可以理解为一种反应-扩散过程。扩散扭结在化学中很常见，反应-扩散是理论生物学中的一个基本模型，用于描述生命系统的形态发生和模式形成，但在力学中却很少见。
近日，荷兰阿姆斯特丹大学Corentin Coulais教授团队发现了在纯耗散剪纸中出现的传播扭结。为此制作了可根据拉伸速度改变形状的剪纸。如果快速拉伸并等待，粘弹性剪纸最终会从一种形状跳变成另一种形状。最重要的是，这种跳变不稳定性会依次发生，并出现扩散性扭结。因此，它模仿了在含羞草等生物系统中观察到的缓慢顺序折叠。通过利用扩散扭结实现类似机器的基本功能，如传感、动态形状变形、运输和操纵物体。该研究成果不仅适用于超构材料，还适用于一阶动力学占主导地位、可能出现机械不稳定性的任何地方，例如孔隙弹性、胶体组装、微流体控制器和由液压驱动的软体机器人。相关研究发表在《Nature Communications》上。(徐锐)
文章链接：
S. Janbaz, C. Coulais. Diffusive kinks turn kirigami into machines[J]. Nature Communications, 2024, 15(1).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45602-7
2 机械网络中拓扑边界态和角态的无模型表征
通过人工设计，超构材料可以实现传统物质无法实现的特性。尤其是拓扑力学领域，自从发现球和弹簧等静态晶格的线性动力学与量子物质中拓扑绝缘体的紧密结合模型之间存在形式上的对应关系后，拓扑力学领域蓬勃发展。这种对应关系随后引发了一系列以极性机械响应或定向声子波通道为特征的机械结构设计策略。如今，几乎所有类型的电子拓扑相都找到了对应的机械结构，从拓扑绝缘体和超导体，到非厄米、量子霍尔自旋，甚至更高阶的拓扑相。拓扑材料可以承载边界态和角态，这些边界态和角态不受无序和材料缺陷的影响。特别是，机械结构的拓扑边界态为在导波、传感、计算和滤波中实现鲁棒响应提供了无与伦比的机会。然而，确定机械结构是否拓扑非平庸和具有拓扑保护模式，迄今为止一直依赖于理论模型。这种强烈的要求限制了拓扑力学的实验和实际意义，使其只能在实验室中展示。
近日，法国里昂大学和美国宾夕法尼亚大学Marcelo Guzman教授团队介绍并验证了一种无需任何建模步骤即可检测机械结构拓扑保护零模的实验方法。该方法基于一个简单的静电类比：拓扑零模类似于电荷。为了检测它们，通过识别基本机械分子并测量它们的手性极化，这是最近引入的手性相拓扑标记。拓扑零模随后被识别为极化场的奇点。这种方法适用于任何机械结构，并能有效探测规则拓扑绝缘体和高阶拓扑绝缘体的边界态和角态。该发现将手性拓扑相的研究范围扩展到了设计材料之外，并允许对其进行直接实验研究。相关研究发表在《Proc Natl Acad Sci U S A》上。(徐锐)
文章链接：
M. Guzman, X. Guo, C. Coulais, et al. Model-free characterization of topological edge and corner states in mechanical networks[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2024, 121: e2305287121.
https://doi.org/10.1073/pnas.2305287121
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，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。
