今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及具有折纸功能变换和环形重构的可编程力学超构材料、弱调制周期性超表面中的拓扑转变和表面Umklapp 散射、腔嵌入二维莫尔材料中的电子-光子陈数、Sb掺杂Cs3TbCl6纳米晶体用于高效窄带绿色发光和X射线成像等敬请期待！
索引：
1 基于深度学习的随机网络3D打印力学超构材料尺寸未知的逆向设计
2 具有折纸功能变换和环形重构的可编程力学超构材料
3 弱调制周期性超表面中的拓扑转变和表面Umklapp散射
4 腔嵌入二维莫尔材料中的电子-光子陈数
5 Sb掺杂Cs3TbCl6纳米晶体用于高效窄带绿色发光和X射线成像
1 基于深度学习的随机网络3D打印力学超构材料尺寸未知的逆向设计
具有定制的、不同寻常特性的超构材料，自出现以来，引起了科学家们的广泛关注。通过模拟计算建立它们的设计-属性关系，增材制造（AM）技术可以实现任意复杂的设计，将两者结合起来便涌现出了丰富的超构材料，并迅速将这类设计材料推向了医疗器件、软体机器人等先进研究领域。尽管超构材料近年来在学术上取得了巨大成功，但仍有两大挑战阻碍着超构材料，特别是力学超构材料在现实世界中的应用。如设计者需要指定器件所需的弹性特性和尺寸，就需要既能产生所需弹性特性，又能满足尺寸的微结构。寻找能产生特定弹性特性的微体系结构的逆向问题本身就具有挑战性，特别是考虑到所需的特性组合通常非常罕见（如高刚度和高负泊松比）。由于大多数力学超构材料通常只分析其均质或渐近特性，这进一步加剧了反向设计问题的难度。由于AM技术的分辨率有限，通常不可能在给定的尺寸范围内适应大量的单元。因此，在处理实际设计问题时，均质化解决方案可能无法提供太多帮助。
近日，荷兰代尔夫特理工大学H. Pahlavani和M. J. Mirzaali教授团队提出了一种名为“Deep-DRAM”的模块化方法，它结合了四个解耦模型，包括两个深度学习模型（DLM）、一个基于条件变异自动编码器（CVAE）的深度生成模型（DGM）和直接有限元（FE）模拟。Deep-DRAM将这些模型整合到一个统一的框架中，为多目标逆向设计问题找到多种解决方案。所有微结构设计都基于具有有序晶格的随机网络（RN）单元。通过大量的模拟以及在3D打印试样上进行的实验，深度学习模型的预测结果与有限元模拟和实验观察结果一致；使用所提出的方法，可实现的弹性特性的包络范围扩大；所提出的框架可为此处提出的多目标逆向设计问题提供多种解决方案。相关研究发表在《Advanced Materials》上。(徐锐)
文章链接：
H. Pahlavani, K. Tsifoutis-Kazolis, M. C. Saldivar, et al. Deep Learning for Size-Agnostic Inverse Design of Random-Network 3D Printed Mechanical Metamaterials[J]. Adv Mater, 2023: e2303481.
https://doi.org/10.1002/adma.202303481
2 具有折纸功能变换和环形重构的可编程力学超构材料
力学超构材料是一类创新材料，通过设计独特的物理单元，以超越某些自然规律的限制，实现独特的机械特性，如交替泊松比、多稳态、负可压缩性、手性和可调刚度等。为了实现这些特性，需要精确的设计。然而，不断变化的功能要求对可重编程超构材料提出了挑战，这应该允许按需多功能调节。实现可重编程超构材料的一种方法涉及单元内的可逆重构。如双稳态单元中稳态之间的切换使得能够创建用于稳定存储器的机械位。另一方面，单元间级别的重构有助于实现可重编程的多功能性。如模块化剪纸超构材料中单元间的结构转变能够在可重编程的剪切和压缩变形下产生不同的机械响应。然而，这些基于同种单元的可重编程超构材料由于其在单胞水平上的单一特性而具有有限的功能。因此，对单胞变形模式和力学响应的多样化研究，以及它们的混合使用和合理连接设计，对于实现可重编程多功能应用所需的可变换和可重构特性至关重要。
近日，上海交通大学颜志淼教授团队介绍了一种由具有异质机械性能的折纸单元组成的可重编程的力学超构材料，它通过功能转换和环重构来实现各种力学行为模式。通过将两个异质单元各向异性组装成一个功能组，可以实现正刚度和负刚度之间的力学行为切换。所得的多边形环表现出旋转变形、零泊松比拉伸/压缩变形和负泊松比拉胀变形。周期性排列这些环会产生均质超构材料。四边形环的重构允许机械响应和负泊松比的连续微调。这种力学超构材料可以为可重编程的机械计算、多用途机器人、可变形车辆和不同尺寸的建筑提供多功能材料平台。相关研究发表在《Nature Communications》上。(徐锐)
文章链接：
Hu, X., Tan, T., Wang, B. et al. A reprogrammable mechanical metamaterial with origami functional-group transformation and ring reconfiguration. Nat Commun 14, 6709 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42323-1
https://doi.org/10.1038/s41467-023-42323-1
3 弱调制周期性超表面中的拓扑转变和表面Umklapp 散射
近年来，超表面因其能够操纵光以实现各种应用，例如光束偏转、平面透镜、全息术和动态数据加密等等而受到广泛研究。超表面在表面波工程中也发挥着重要作用，可以实现单向和自旋选择性耦合以及低频表面波波导。即使界面的简单周期性结构也可能对这些表面波产生强烈影响，例如，一维凹槽结构被证明可以产生双曲超表面，正如有效介质理论所预测的，其中调制深度可以将空间色散各向异性从椭圆转变为双曲。另一方面，波长量级的表面波纹已经被研究了几十年，为表面波的色散提供了分析预测。然而，这种波纹从未被证明是在有效介质理论之外设计电磁表面波传输特性的额外自由度。在这种情况下，表面波特性主要由周期性引起的效应决定，例如umklapp散射、调制波数整数值的动量弛豫，从而开辟了通向奇异波色散和衍射的路径。
近日，以色列理工学院的Guy Bartal教授团队，介绍了一种超越有效介质的表面波工程新方法，通过调整凹槽超表面的周期性和深度之间的相互作用，以实现平面结构中的新传播机制。利用相位分辨近场显微镜，发现了新现象，例如在连续或有效介质中无法实现的“可逆”拓扑转变，以及由表面umklapp散射引起的独特后向聚焦。该研究结果为人工周期系统中的表面波和导波工程提供了一种综合方法，并且可以用来产生具有复杂和独特色散特征的新型光子电路和电磁模式。相关工作发表在《Nano Letters》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c02759
4 腔嵌入二维莫尔材料中的电子-光子陈数
近年来，结合石墨烯或过渡金属二硫化物(TMD)等二维材料原子薄层的范德华异质结构引起了人们的极大兴趣。由于多个量子自由度，即电子自旋、谷和层伪自旋，这些系统已经在单粒子层面上呈现出丰富和可控的物理特性。此外，近日人们利用空腔真空场对材料进行操纵的兴趣也日益浓厚，最近的理论工作研究了如何利用腔量子电动力学来控制系统的拓扑性质，其中一项研究探讨了超强光-物质耦合中的一般单电子问题，并重点研究了在腔光子模式频率远大于相关电子跃迁频率的配置中的拓扑控制问题。其中当光子模式与电子跃迁共振时，与相互作用的量子电子-光子系统相关的真实电子-光子拓扑不变量的行为是尚未解决的一个关键点。同时，对于耦合到量子化腔场的费米子粒子，对共振光-物质耦合下电子-光子拓扑不变量的研究也一直被忽视。
近日，巴黎西岱大学的Cristiano Ciuti教授课题组与香港大学的姚望教授课题组合作，探索了以电子-光子陈数为特征的新拓扑相，重点研究了含有嵌入腔的二维莫尔材料。文章研究了不同的耦合机制(非谐振与谐振腔模式)，不同的腔几何形状(平面内或平面外偏振模式)，并探索了这种以对最先进的开口环谐振器和TMD材料具有现实价值的电子-光子陈数为特征的拓扑跃迁机制，并最终证明了在共振电子-光子耦合的情况下，新的拓扑相和高陈数将会出现。在未来，本课题采用的拓扑方法也可以推广到在空间上不均匀或存在电子无序的空腔模式。相关研究发表在《Physical Review Letters》。（刘梦洋）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.176602
5 Sb掺杂Cs3TbCl6纳米晶体用于高效窄带绿色发光和X射线成像
具有高光致发光量子产率(PLQY)的金属卤化物纳米晶体(NCs)是照明、显示和x射线检测的理想材料。在此，新型镧系卤化物NCs致力于设计和优化光学和闪烁性能，从而揭示PL起源，激子动力学和光电子应用。掺Sb的零维(0D) Cs3TbCl6纳米碳化硅呈现绿色发光，全宽窄，半宽最大值为8.6 nm，最佳PLQY为48.1%，约为未掺杂纳米碳化硅的3倍。实验和理论计算表明，0D晶体结构和电子结构使激子高度局域化在[TbCl6] 3−八面体上，促进了Cl−-Tb3+的电荷转移过程，从而产生明亮的Tb3+发射。更重要的是，Sb3+的引入不仅促进了光子的吸收跃迁，而且在[SbCl6] 3−诱导的自捕获态的辅助下，建立了一个有效的热增强能量传递通道，这是PL增强的原因。与未掺杂样品相比，Cs3TbCl6: Sb纳米闪烁体具有较高的发光效率和可忽略的自吸收特性，使其具有更灵敏的x射线探测响应。该研究为深入理解金属卤化物纳米材料的激发态动力学开辟了新的视角，有助于设计高性能发光镧系纳米材料。
近期，南京理工大学陆瑞峰教授、赵琨教授研究团队和山东大学韩沛耿研究团队合作，研究了未掺杂和 Sb 掺杂的全无机零维Cs3TbCl6 NCs 的胶体合成、光学性质和激发态动力学。这项工作不同于以往的报道，重点是如何利用ns2-阳离子来扩大单相白光发射的发光光谱。结合光谱分析和理论计算表明，发光动力学机制不同于传统的认识，不仅与掺杂(和镧系)离子本身有关，而且与研究体系中掺杂(和镧系)-卤化物八面体亚晶格单元密切相关。Cs3TbCl6: Sb NCs的极窄增强绿色PL发射的起源归因于0D晶体和电子结构、平带结构、高度局域化的激子分布。该研究为深入理解金属卤化物纳米材料的激发态动力学开辟了新的视角，有助于设计高性能发光镧系纳米材料。相关研究成果以“Sb-doped Cs3TbCl6 nanocrystals for highly efficient narrow-band green emission and X-ray imaging”为题发表在《Advanced Materials》上。（郑佳慧）
文章链接：
DOI: 10.1002/adma.202302140
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