今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及非线性旋错态的观测，非互易和非牛顿力学超构材料，超越Gibson-Ashby模型的金属力学超构材料，热机械多稳定性轻质木质超材料的各向异性等敬请期待！
索引：
1、非线性旋错态的观测
2、超越Gibson-Ashby模型的低密度、高强度金属力学超构材料
3、非互易和非牛顿力学超构材料
4、具有机械/热机械多稳定性的轻质木质超材料的各向异性
1、非线性旋错态的观测
由周期阵列的特定变形得到的非周期结构中出现的旋错态，在形式上属于一类高阶拓扑态。这些拓扑状态的出现与体旋错对应原理一致，并且由于填充异常导致边界晶胞产生分数电荷。然而，与以前认为的具有周期性结构的高阶绝缘子几何结构相比，旋错系统可能具有其他类型的离散旋转对称性，与晶体对称不相容，在通常的高阶绝缘子中无法实现。与此同时，非线性介质中光束的自作用在拓扑光子学中引起了越来越多的关注，使对拓扑态的全光控制成为可能。由于自作用产生的拓扑新效应包括：拓扑相变，非线性Thouless泵浦，拓扑孤子等。支持角孤子的非线性高阶拓扑绝缘子也在理论提出和实验实现，最近也提出了高阶非线性Floquet拓扑绝缘子。迄今为止，拓扑旋错态仅在线性区域中被观察到，而具有旋错系统中非线性和拓扑之间的相互作用从未被实验研究过。
近日，西安交通大学的张贻齐教授和俄罗斯科学院的Yaroslav V. Kartashov教授联合团队通过在周期性蜂窝结构中移除或添加扇区来获得具有五边形或七边形旋错核心的波导阵列，该阵列采用飞秒激光直写技术刻在非线性熔融石英上，并通过实验观察到非线性光子旋错态。研究了熔融石英的非线性响应（在高功率激光的脉冲激发下变得明显）对激光直写结构中旋错态的局域化的影响。如果高斯输入光束被聚焦到属于旋错核心的波导中，非线性旋错态可以有效地激发。当旋错阵列处于拓扑相位时，可以激发存在于广泛输入功率中的无阈值旋错孤子。在非拓扑状态下激发相同的波导会在低功率下产生强烈的衍射，而非拓扑自维持态的形成仅发生在相当大的功率阈值之上。并比较了不同Kekulé畸变系数的非线性激励行为。相关工作发表在《Light: Science & Applications》上。（金梦成）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41377-023-01235-x
2.超越Gibson-Ashby模型的低密度、高强度金属力学超构材料
对轻质、高性能工程材料日益增长的需求不断推动着材料创新。力学超构材料的出现和发展满足了这一需求。基于支柱的点阵材料是一种常见的力学超构材料形式。与已经被充分探索的组成或微观结构设计方法相比，结构设计为材料创新提供了额外的设计空间。通过增材制造（AM），这种设计空间集中在利用毫米到纳米尺度的拓扑创新来获得所需的力学性能或功能。这种基于增材制造的新材料设计空间的边界与我们的想象力一样广阔和无限。因此，它为开发适用于各种应用的高强度、韧性金属力学超构材料提供了一个独特的机会。
近日，上海交通大学顾剑锋教授联合澳大利亚皇家墨尔本理工大学马前教授展示了一种基于广义理论模型或扩展的Gibson - Ashby模型的新设计理念。基于支柱的金属点阵材料的变形机制取决于其支柱长径比（l/d），而最大化其强度的关键是在不增加点阵密度的情况下将其比例降低到最小可制造水平。受这一设计理念的启发，文中研究了三种加强金属点阵的支柱重塑策略。根据Wolff强化策略设计的低密度Ti-6Al-4V点阵（1.6 g/cm3）与迄今报道的所有等效密度的蜂窝金属材料（强度是它们的2-8倍）相比，具有出色的强度(>400 MPa)。以长径比（l/d）为中心的设计理念有望激发更多金属超构材料的设计灵感。相关研究发表在《Materials Today》上。（徐锐）
文章链接：
ZHONG H, DAS R, GU J, QIAN M. Low-density, high-strength metal mechanical metamaterials beyond the Gibson-Ashby model[J]. Materials Today, 2023.
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.07.018
3.非互易和非牛顿力学超构材料
非牛顿流体具有应力和速度依赖性的粘度，其粘度可以在动态力的作用下急剧变化，有效地将自身的反应转化为更多的液体或固体，并导致对外部激励的强烈的硬化感觉。从物理或力学的角度来看，非牛顿流体的粘度（由剪切力引起的变形）取决于剪切速率。在牛顿流体中，剪切应力与剪切速率呈线性关系。然而，在非牛顿流体中，这种关系原则上可以为任意形状（从指数到对数）。因此，流体表现出与时间相关的粘度响应。虽然非牛顿流体的研究历史悠久，但相关应用却鲜有报道。此外，非牛顿流体对温度具有强烈的敏感性。具有可调力学性能的超构材料，特别是具有丰富的动力学行为或表现出非互易性，在许多应用中具有吸引力，例如控制声波和弹性波的传播。在流体和固体中，声学和弹性动力学中的互易性原理规定了作用和反应之间的对称关系，这在时间反演对称的情况下是难以克服的。表现出非互易性（也称为固体弹性波的威利斯耦合）的材料有望单向调节波。然而，使用单一原材料设计具有非互易性和速度相关力学响应的超构材料仍然是一个挑战。
近日，哈尔滨工业大学王兵教授联合法国勃艮第-弗朗什孔泰大学Muamer Kadic教授团队引入了可拉伸和压缩的弹性超构材料的概念，它可以模拟非牛顿流体的响应，同时具有非互易性。值得注意的是，它们可以随意调节以获得所需的有效刚度。与Milton和Willis类似，尽管对于弹性体而非刚体，文中证明了超构材料的动力学响应并不遵循标准Cauchy - Newton弹性体的有效描述。首先，提出了非互易和非牛顿弹性的一般有效质量-弹簧模型。然后，通过具体实例验证了该模型对2D和3D超构材料设计的有效性。3D打印样品用于实验获得非互易和非牛顿力学响应，并将其与有限元分析进行的数值模拟进行比较。最后，讨论了可能的应用，例如卫星对接或运输。相关研究发表在《Nature Communications》上。（徐锐）
文章链接：
WANG L, MARTíNEZ J A I, ULLIAC G, WANG B, LAUDE V, KADIC M. Non-reciprocal and non-Newtonian mechanical metamaterials[J]. Nature Communications, 2023, 14(1).
https://doi.org/10.1038/s41467-023-40493-6
4.具有机械/热机械多稳定性的轻质木质超材料的各向异性
纳米工程木材提供了一种具有 3D 微米和纳米结构的可再生结构材料，具有许多有益的特性，例如轻质、机械强度高、环保、隔热和低碳足迹。此外，天然木材的化学处理保留了纤维素纳米原纤维的排列，保持其结构各向异性。这一特性允许开发各向异性纳米木材和木材气凝胶，它们表现出优异的隔热性能。因此，这些材料在热管理领域具有巨大的潜力。
近日，浙江农林大学的孙庆丰教授和李莹莹副教授团队，设计并合成了一种具有机械/热机械多稳定性的纳米木材衍生产品，它具有超硬且轻质的特点。利用细胞壁中最初存在的纤维素纳米原纤维的自修复行为及其与微观机械约束的结合，在预先设计的宏观结构中形成定向多孔框架（孔隙率≥98％）和封装的空纤维腔。该木质超材料重量轻，表现出超高的比强度（207.7 MPa cm3 g−1）和非常低的径向热导率（27.75 mW m−1 K−1）。木质超材料克服了现有建筑材料和先进航空航天隔热体的机械/热机械缺陷，具有彻底改变建筑和制造业的巨大潜力，特别是作为一种轻质、环保、可扩展、节能和具有成本效益的材料。本文发表在《Advanced Functional Materials》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202307242
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