今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及机械集成电路超构材料、一种可编程的不规则超材料、由滑移反射对称晶体界面引导的拓扑波、微结构复合材料的磁辅助按需3D打印等敬请期待！
索引：
1.基于虚拟生长程序构建的一种可编程的不规则超材料
2.机械集成电路超构材料
3.石墨烯光电探测器中的超快固有光电转换动力学
4.由滑移反射对称晶体界面引导的拓扑波
5.微结构复合材料的磁辅助按需3D打印
6.具有逻辑功能的纺织品
天然生物材料具有几何形状不规则且功能高效的微结构。这些几何不规则性源自组织生长的自然结果，它通过一个分布式、随机的构建过程展开，该过程遵循简单的局部规则，而没有特定的计划。通过研究这些几何不规则性如何独立决定材料性能，为设计具有优异功能的材料提供了一条全新的途径，如缺陷不敏感性、抗冲击性和应力分布重构。然而，目前用于周期系统的几何描述导致在区分特定结构特征或它们的周期性对给定功能的贡献方面存在歧义。这突出了开发一种计算程序来定义不规则材料中的空间特征的重要性。最近，已经发展了计算方法来设计和表征不规则微结构。然而，这些工具没有提供一个通用的框架来描述超构材料的几何形状。
近日，美国加州工学院Chiara Darai教授课题组研究人员刘珂创建了一个可以更好地理解不规则超构材料中的结构-性能关系的工具，该工具可以调用生物自然生长的分布式随机过程，并称之为虚拟生长计划。首先，通过识别在任意复杂的微结构中，其规模小于周期性设计中的典型单元，并将这些单元构件作为局部结构元素。然后，从非常有限的局部结构(即构建块)开始，建立在基本构件在空间上的组合。在该虚拟增长过程中，构建块在底层网络上随机连接，其中每对相邻构建块遵守规定的邻接规则。在这个规则中，材料的微观结构既可以是周期性的，也可以是非周期性的。在该框架下还可以将拓扑(底层网络的连接性)与几何体(构建块的形状)分离，用于探究它们对全局材质属性的独立影响。因此，这项工作使用虚拟生长程序来解开不规则超构材料中的结构-属性关系，有可能产生一组具有广泛功能特性的丰富的材料微结构。这些发现为如何在随机的自组装过程中对材料特性进行编程提供了指导，并可能影响未来工程材料的制造。相关研究发表在《Science》上。（何玉龙）
Liu et al.. Growth rules for irregular architected materials with programmable properties [J]. Science, 2022, 377: 975–981.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn1459
工程材料的信息处理已成为智能材料的关键功能元素。通过材料处理环境刺激和功能适应的能力为智能材料引入了感觉和驱动功能。为了建立这种工程智能材料范例的基础，研究人员探索了工程材料中信息处理的非常规功能特性，包括根据机构运动学所设计的机械计算。对于可扩展的计算能力，集成电路(IC)是计算数字电信号的传统平台。在集成电路中嵌入软物质，通过机械应变门控开关元件实现逻辑运算功能的努力越来越多。研究人员也试图通过将机械计算比特抽象与可重构电子网络相结合，实现导电软物质机械超材料的所有通用逻辑门。然而，在软材料中开发组合逻辑集成电路的方法尚未建立。机械计算目前受到输出信号所驱动的输入的类型和数量以及机械材料中信号传播的衰减的限制。亟需一种设计方法，在具有智能感知能力的软物质中实现具有可编程的、更高级别的计算操作。
近日，美国宾夕法尼亚州立大学的Ryan L. Harne等研究者，受ICs31开关理论数学原理的启发，构建了一种鲁棒性的基于布尔数学的策略。揭示了布尔数学和运动学可重构电路之间的关系，实现了在柔性导电的机械材料中的所有逻辑组合操作。由此产生的机械集成电路材料可以执行信息解码和高级算术运算，并将相应二进制数据解码为视觉表示。例如n位加法、减法、乘法和幅度比较器。该设计通过最小化的布尔函数集和增加计算密度的多层整体制造技术来支持自动化，展示了可以感知和处理机械载荷的可重构集成电路材料，可用于智能响应、驱动和通信的更高级别的n位算术和解码操作。其次，该机械集成电路通过单块逐层设计的方法增加了材料的计算密度。由于这里所建立的框架利用数学和运动学进行系统设计，因此所提出的机械集成电路材料的方法可以在任何长度的尺度上实现，并且有望在广泛的物理中实现。相关研究发表在《Nature》上。（何玉龙）
文章链接：
Charles El Helou, Benjamin Grossmann, Ryan L. Harne. Mechanical integrated circuit materials[J].Nature, 2022, 608, 483–487.
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05004-5
随着数据通信量预计将继续呈指数级增长，迫切需要对将光信号转换为电信号的超高带宽和低功耗的光接收机。光热电(PTE)石墨烯光电探测器(PDs)由于其零暗电流操作、宽带吸收和通过热载流子倍增(HCM)的高转换效率，是一种很有前途的光-电(O-E)转换平台。飞秒光泵浦-探针测量表明，光激发非平衡载流子在载流子温度升高(<100fs)时瞬间热化为费米-狄拉克分布，然后温度通过各种声子相互作用在皮秒时间尺度上降低。由于这种超快的能量弛豫，石墨烯光电探测器的3 dB带宽预计将超过200 GHz。然而，尽管在构建基于各种配置的PTE效应的超快石墨烯pd器件方面做出了大量努力，但由于示波器或频谱分析仪等读出电子器件的带宽限制，测量的带宽被限制在70GHz左右。更重要的是，来自栅极电容的电阻-电容(RC)电路的大时间常数，这是调整费米电平所必需的，将截止频率设置在100 GHz以下。因此，具有固有时间尺度的O-E转换尚未实现，因此载流子提取机制仍未被探索，尽管两者都对设计超快石墨烯光电器件至关重要。
近日，日本NTT公司的Katsumasa Yoshioka等人通过超快光热电流的片上电读出，成功地解决了高质量石墨烯中的光电转换过程。通过使用阻性氧化锌顶栅极抑制阻容电路的时间常数，作者构建了一个门可调石墨烯光电探测器，其带宽可达220 GHz。通过测量非局域光电流动力学，作者发现从电极中提取的光电流是准瞬时的，没有可测量的载流子穿越数微米长的石墨烯的时间，遵循Shockley–Ramo定理。光电流产生的时间是非常可调的，从立即到> 4ps，它的起源被确定为费米能级依赖的带内载流子散射。相关工作发表在《Nature Photonics》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-022-01058-z
受拓扑绝缘体概念的启发，拓扑声子学提供了前所未有的波特性。一个吸引科研人员注意的方向是实现沿晶界或两相畴壁的单向无后向散射导波传播。无源拓扑波导，例如谷霍尔和量子霍尔类型，导致对称保护的单模波导波沿着畴壁分离具有不同拓扑不变量的同一晶体的两相。根据体-边对应原理，波导的拓扑性质继承了二维体晶体的拓扑性质。一维畴壁异质结构是在不破坏二维晶格周期性的情况下，通过调整一个连续的几何参数来控制二维晶格的形成的。例如，在谷霍尔晶体中，三角夹杂体连续旋转，以减少二维晶体的能带结构和狄拉克点，导致缺口打开。在具有C6v对称的量子霍尔晶体中，Γ点的狄拉克点在晶体单胞内部结构连续调整的情况下发生拓扑跃迁。相比之下，人工晶体长期以来被设计成呈现非常宽的完全带隙，导带原则上可以覆盖。然而，耦合一系列晶体缺陷形成的声子晶体波导缺乏拓扑保护，通常是多模态的，导致完整带隙内的导带竞争，使导带严重变平。
近日，法国国家科学研究院的Julio Andrés Iglesias Martínez等人提出从一个2-周期晶体开始，并引入一个沿着一个周期轴运行的滑移反射(GR)对称位错。由此得到的结构失去了一个周期，沿着方向正交于滑动操作，但获得了初始的2-周期晶体所不具备的滑移反射对称性。沿界面方向测量的体带的二维Zak相位，通过两侧的π发生变化，提供了一个由GR对称保护的拓扑不变量。第一布里渊区(X点)边界处的所有能带对都是简并的，导致在晶体的所有布拉格带隙中出现左右传播导波。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW B》上。（郑江坡）
文章链接：
10.1103/PhysRevB.106.064304
3D打印是一种使用逐层沉积生成自由形式3D结构的制造技术。传统3D打印用于材料相容性有限的小批量原型制作。然而，最近的进步已经允许更多种类的材料进行3D打印，用于多学科领域（如航空航天、机器人、生物医学和电子等）。此外，3D打印已扩展到制造由有序排列的1D纤维或2D板状各向异性增强填料组成的微结构复合材料。微结构复合材料很有趣，因为它们具有优异的性能。由于高填料含量，这些结构具有高刚度，而分层结构使结构增韧。除了力学性能外，含有功能填料的微结构复合材料还显示出增强的热学和电学性能。尽管在3D打印领域取得了令人兴奋的进展，但由于需要复杂的各向异性和多层材料结构，制造这些微结构复合材料仍然具有挑战性。打印微结构复合材料的一种策略是使用多材料方法，例如多喷射打印或熔融沉积建模来打印软材料和硬材料的组合。然而，此类技术通常仅限于打印具有不同机械性能的聚合物，并且不能完全实现与含有实际硬质填料的复合材料相同的性能。目前使用含有硬填料的油墨的方法通常利用剪切诱导或场辅助的填料排列。由1D填料增强的微结构复合材料的3D打印更容易实现，因为填料只需沿一个方向对齐。为了实现这一目标，使用溶剂基浆料油墨是一个很有前途的选择。这些类型的油墨通常具有比树脂基油墨更低的粘度，这使得填料易于对齐。同时，溶剂蒸发时发生致密化，导致具有高固体含量的结构。该策略先前已用于磁辅助滑动铸造，以制备具有可控微片对准的高固含量微结构复合材料。在按需点滴3D打印技术中使用类似的水性浆料，并用磁场增强对准，可以实现打印结构中的附加体素控制。
近日，新加坡南洋理工大学Hortense Le Ferrand教授团队开发了一种磁助滴按需3D打印技术（MDOD）来打印对齐的微血小板增强复合材料。这种3D打印填充量高达~50 vol%并且具有局部变化的填料取向和组成。具有磁响应各向异性微血小板的水性油墨以液滴的形式沉积在基板上，同时施加磁场以诱导填料排列。MDOD可以很容易地应用于不同类型的微血小板，从而实现多材料打印的可能性。可以调整每个单个液滴中的材料和填料对准，以对整个打印结构进行体素控制。为了展示MDOD的优势，制作了压阻传感器等多功能器件，并对其性能和局限性进行了评估。通过控制其局部微观结构和成分，提高了其力学性能。改变材料组成和微观结构的能力创造了大的设计空间，以根据目标应用的需要调整器件性能。本工作可用于制造新型微结构材料，也为改善3D打印功能器件的性能提供了一种替代方法。相关研究发表在《Nature Communications》上。（徐锐）
文章链接：
W. C. Liu, V. H. Y. Chou, R. P. Behera, et al. Magnetically assisted drop-on-demand 3D printing of microstructured multimaterial composites[J]. Nature Communications, 2022, 13(1).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-32792-1
数千年来，由纺织品制成的服装一直是人类日常生活的组成部分，提供了舒适的环境，调节温度并抵御恶劣天气。尽管纺织品在大多数现代服装中起着很大的被动作用，但柔软、灵活、耐用的纺织品作为下一代可穿戴机器人和器件的选择媒介具有很大的前景。在可穿戴机器人领域，纺织品在软致动器中的应用越来越多，软致动器旨在充当机器人“肌肉”，帮助用户完成站立、行走、跑步、抓取或举起物体等物理任务。然而，即使驱动和传感元件朝着完全纺织设计的方向稳步发展，许多对其功能至关重要的部件（如电缆、电导体和支撑框架）仍继续由非纺织材料制成。此外，机载控制系统仍然严重依赖于刚性、笨重或笨重的部件，如印刷电路板和机电阀阵列，以及一些可穿戴器件需要连接到限制用户移动的非车载基础设施。柔性逻辑代表了仅使用软材料进行控制的有吸引力的方法。然而，现有的软阀依赖于固有的3D结构，不能移植到柔性的2D板上，因此无法使用纺织品实现。此外，这些阀门的弹性结构禁止其与服装无缝集成。非纺织材料的使用增加了复杂性和故障点，增加了生产成本，最终与坚固、轻巧和统一系统的最终目标不兼容。因此，开发基于织物的逻辑控制器对于未来可穿戴机器人的出现是必不可少的，这些机器人充分利用了织物介质的固有优势，但由于缺乏在2D和基于薄片（即织物）的体系结构中体现智能的方法而受到限制。
近日，美国莱斯大学Daniel J. Preston团队开发了一个将气动数字逻辑嵌入可穿戴器件的全纺织平台。这种逻辑纺织品支持组合和顺序逻辑功能、板载内存存储、用户交互以及与气动执行器的直接接口。此外，它们被设计成轻巧、易于集成到常规服装中，使用可扩展的制造技术制造，并且足够耐用，能够承受日常使用。演示了一台纺织计算机，该计算机具有输入驱动数字逻辑，用于控制无系留可穿戴机器人，帮助用户克服功能限制。这种逻辑平台将促进由嵌入式流体逻辑驱动的未来可穿戴器件的出现，充分利用其纺织结构的固有优势。相关研究发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上。（徐锐）
文章链接：
A. Rajappan, B. Jumet, R. A. Shveda, et al. Logic-enabled textiles[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022, 119 : e2202118119.
https://doi.org/10.1073/pnas.2202118119
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