今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及通过手性分层超材料定制的拓扑边缘波，多材料3D打印自锁厚板折纸超构材料，用于同步螺旋相位对比和明场成像的介电超表面等，敬请期待！
索引：
1.用于同步螺旋相位对比和明场成像的介电超表面
2.通过手性分层超材料定制的拓扑边缘波
3.受芳香拉链拓扑结构支配的苯丙氨酸晶体的水响应性驱动
4.多材料3D打印自锁厚板折纸超构材料
1
明场成像是一种观察吸光物体形貌的成像方式，然而对于高透明物体，例如缺乏大量天然色素的生物样品，明场成像无法清楚区分样品形貌特征，一般需要对样品进行染色处理，但是会明显降低细胞活力，不利于长时间的活体观测。因此研究学者们提出了各种相位对比技术，如泽尼克相位对比成像，差分干涉对比成像，螺旋相位对比成像技术等。通过提取相位信息，可以在不染色的情况下清楚分辨样品的形貌特征，实现对透明生物样品的活体观察。螺旋相位对比成像和明场成像是两种广泛使用的显微镜成像模式，然而传统的显微镜不能同时在这两种模式下进行观察，通常要更换对应的光学元件，操作相对繁琐。此外在某些生物医学成像应用中，例如观察在复杂环境中迁移的透明活细胞，振幅和相位信号同时存在，为了在这种情况下获得实时信息，同时具备螺旋相位对比成像和原位明场成像能力的显微镜的优势非常明显。
近日，南京大学徐挺教授课题组提出了一种介电光学超表面，可以在同一视场内实现同步明场成像以及螺旋相位对比成像。基于超表面灵活的相位设计，采用一系列旋转对称的纳米结构，将螺旋相、抛物线相和偏转相叠加在该超表面上。不仅可以聚焦光进行衍射受限成像，还可以通过赋予入射光场轨道角动量来进行二维空间分异操作。因此可以在不需要4F光学系统和调整入射偏振的情况下，获得样品整体形貌以及高频边缘信号。该工作提出的这种多功能超表面成像技术在生物医学成像和材料科学等领域具有巨大的应用潜力，相关工作发表在《Nano Letters》上。（袁铭谦）
文章链接：Y. Z. Zhang, P. C. Lin, P. C. Huo, et al.Dielectric Metasurface for Synchronously Spiral Phase Contrast and Bright-Field Imaging. Nano Lett. ASAP (2023).
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00388
2
对物质拓扑态的研究是当前凝聚态物理研究的热点。其中，受保护的拓扑边界态和表面态的概念从最初的量子系统中拓扑绝缘体出发，已经逐渐渗透到经典波传播的领域中。最近，许多研究利用谷自由度在经典波系统中实现量子谷霍尔效应。量子谷霍尔效应依赖于打破空间反演对称性，同时其保留了时间反演对称性，不需要使用复杂的结构来打破时间反演对称性，这为实际应用中对振动波的控制提供了方便。
近日，米兰理工大学Raffaele Ardito团队，设计了一种非常规的四手性晶格结构，通过添加具有可调节的对称性破缺和可重构质量的微谐振器，利用尺度层次来控制高度局域化的受保护边界态。同时，该工作还通过改变边界模式的色散性质，使不同频率分量可以沿边缘局域化，从而实现了拓扑彩虹效应。该团队利用轻型框架超材料来构造这种晶格结构，使其可以在低频工作范围内实现对振动波的精确控制。该工作可应用于超精密加工中的震动隔离、能量收集和传感器的无损信号传输等实际情景。相关工作发表在《Physical Review Applied》上。（刘帅）
文章链接：De Ponti J M, Iorio L, Chaplain G J, et al. Tailored Topological Edge Waves via Chiral Hierarchical Metamaterials[J]. Physical Review Applied, 2023, 19(3): 034079.
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.034079
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水响应材料可以通过响应相对湿度或水梯度进行机械变形，将水的化学能转化为机械作用。这种材料可以应用于许多领域，如湿度传感、人工肌肉、微型机器和能量收集。短肽尤其适合用于研究水响应性，因为它们的自组装行为和序列编码属性已经被广泛研究。在这个领域里，还有很多基本问题需要解决，例如水在分子水平上的运动如何转化为材料的宏观形变。
近日，纽约市立大学陈曦教授团队研发出了一种水响应性材料，其可以在相对湿度变化的情况下可逆地变形，因此在能量收集和软性机器人应用方面具有潜在的应用价值。研究人员比较了基于氨基酸苯丙氨酸的三种晶体，这些晶体包含水通道和不同的苯丙氨酸堆积方式（分层的F、连续连接的苯丙氨酰-苯丙氨酰二肽，FF和分散的组氨酰-酪氨酰苯丙氨酸，HYF）。研究人员通过分析氢键作用和芳香拉链拓扑的变化来研究水引起的重构过程。结果表明，F晶体表现出最大的水响应性变形（水响应能量密度为19.8 MJ/m³），其次是HYF（6.5 MJ/m³），而FF没有明显的响应。水响应性差异与芳香区域的可变形性强相关，FF晶体过于硬无法变形，而HYF过于软不能有效地将水张力传递到外部负载。这些发现揭示了水响应性晶体的芳香拓扑设计规则，并提供了高性能水响应性驱动机制的深入洞察。此外，表现最佳的F晶体有望成为一种在规模化和成本低廉应用方面高效的水响应性材料。相关成果以‘Aromatic Zipper Topology Dictates Water-Responsive Actuation in Phenylalanine-Based Crystals’为题发表在《Small》上。（孙嘉鹏）
文章链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202207773
4
在连续折叠过程中，通常刚性可折叠折纸或刚性折纸是刚性面板围绕预定的铰链旋转，没有任何拉伸、弯曲变形。因此，刚性可折叠折纸可以被视为具有刚性面板和铰链的展开机构，在各种工程应用中具有优势。一般来说，刚性可折叠的折纸图案是由理想化的模型创建的，模型各面视为具有零厚度。为了使刚性可折叠折纸更适用于工程应用，研究人员提出了开发厚板折纸以增强折纸板刚度的思路。熔融沉积成型（FDM）3D打印通过熔融热塑性线材并通过打印喷头挤出，按照预定的路径为每层生成图案，形成3D结构。与其他3D打印技术相比，FDM 3D打印因其简单、价格低廉、与各种工程塑料兼容等优点，应用最为广泛。通过FDM 3D打印制造折纸结构已经做了很多尝试。然而，主流的单一材料打印能力存在矛盾点：使用刚性材料打印的折纸结构可以承受载荷但不可折叠；相反，软材料通过牺牲负载能力赋予打印折纸结构可折叠性。将软材料和刚性材料3D打印成一个结构的能力对于制作厚板折纸结构是必要的。
近日，香港城市大学陆洋教授和南方科技大学葛锜教授团队报告了一种设计和制造策略，用于创造具有良好的可折叠性和承受循环载荷能力的厚板折纸结构。通过一台熔融沉积成型（FDM）多材料3D打印机直接打印厚板折纸，采用基于包裹的制造策略，刚性面板被高度可拉伸的软性部件包裹和连接。通过将两个厚板折纸面板堆叠成预定的构型，开发了一个3D自锁厚板折纸结构，该结构通过推拉模式进行变形，使折纸结构能够支持超过其自身重量11000倍的负载，并承受超过100次40%的压缩应变。在通过自建的理论模型优化几何参数后，证明了自锁厚板折纸结构的力学响应是高度可编程的，这种多层折纸结构可以在各种结构应用中大幅提高冲击能量的吸收。本文提出的制造和设计方法为在实际工程应用中实现折纸提供了新的见解。相关研究发表在《Nature Communications》上。（徐锐）
文章链接：
H. Ye, Q. Liu, J. Cheng, et al. Multimaterial 3D printed self-locking thick-panel origami metamaterials[J]. Nat Commun, 2023, 14(1): 1607.https://doi.org/10.1038/s41467-023-37343-w
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