今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及具有类碳纳米管状拓扑边界态的结构声管, 基于声波多路径扭转的高信息密度超材料实现实时通信,用于精细微网络穿越的变形微机械的快速多材料4D打印等敬请期待！
索引：
1.基于声波多路径扭转的高信息密度超材料实现实时通信
2.具有类碳纳米管状拓扑边界态的结构声管
3.超导腔电力学：微波频率声频梳的实现
4.具有显著垂直磁各向异性的二维范德华Fe3GaTe2的室温本征铁磁性研究
5.单层过渡金属二卤族化合物薄膜能带的尖端调节
6.一种基于无线磁驱变速箱的毫米级机器人
7.具有不寻常和可重新编程的吸湿变形模式的湿敏力学超构材料
8.用于精细微网络穿越的变形微机械的快速多材料4D打印
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基于声波多路径扭转的高信息密度超材料实现实时通信
如何不断提高波所携带信息的传输能力和传输速度，是波动物理学的一个基本问题，也是众多应用领域的迫切需要。一个典型的例子是以声波为代表的水下通信，其吸收和散射效应比电磁通信低，然而，由于声波固有的低频率、低速度和无极化特性，突破目前的信息传输效率一直是水声通信面临的重要挑战。近年来，基于轨道角动量(OAM)的水声通信被提出并实现，它将空间作为一种不依赖于相位和振幅的新维度来编码信息。对于具有特定OAM的涡旋声束，基于其传输的正交性，携带独立信息的不同模态传输波束可以在无模态串扰的情况下复用到同一路径。这使得声通信能力显著提高，但需要对使用复杂传感器阵列或多层超材料接收到的信号进行后处理，这些材料的解复用能力受到插入损耗和衍射效应的限制。更重要的是，OAM复用策略依赖于多个同轴重叠的扭曲波束作为正交通信信道，而非同轴波束进一步提高声通信效率的潜力尚未开发。在这种情况下，通道数量必须增加，包括更多的高阶OAM模式，这导致更严重的衍射和空间混叠效应，限制了可用通信通道的最大数量。
近日，南京大学物理学院声学研究所程建春和梁彬教授课题组提出并实验验证了一种利用多路径声学扭转实现实时大容量通信的机制，无需信号处理或传感器扫描。通过使用超材料层作为具有高空间选择性的纯被动解复用器，通常通过耗时的后处理来降低通道串扰，在这里而实际上被抑制。此外，系统的紧凑性确保了高信息密度，这对声学应用至关重要。实验证明了一个复杂图像传输的例子，实现了接近前向纠错极限1/10的极低误码率。该策略为基于超材料的高容量通信范式开辟了一条道路，与传统的多路复用机制兼容，对声学和其他领域产生深远影响，例如，该方法不仅可以突破水下通信和海洋探测的带宽限制，而且也为全光片上集成光通信器件的设计与应用通过一种思路。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。(丁雷)
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具有类碳纳米管状拓扑边界态的结构声管
为了让一片石墨烯无缝地卷成一个管，在此过程中需要重叠底层晶格的两个六边形。连接两个六边形中心的手性向量决定了管状布局的几何对称性，即管状拓扑结构。这就意味着，单壁碳纳米管(SWCNT)的金属相或半导体相主要取决于手性指数。与此同时，对石墨烯纳米带的形状、大小和手性的精确控制，使得探索物质的拓扑相变得更容易，从而获得其他系统无法获得的对称保护电子态。
自从拓扑量子工程到达经典波物理领域以来，过多的奇异的拓扑相位出现在鲁棒和无反射的声音、光和振动的范围内。除了早期克服Chern绝缘体或自旋谷（赝自旋）自由度的经典类似比，最新的研究也集中在高阶拓扑绝缘体以及非厄密性和拓扑的结合上。基于高度灵活的方法来设计基于波的拓扑结构，这一前沿预计将继续繁荣，并从当代凝聚态物理中扩展出来，就像在模拟SWCNT中解开拓扑声音的不可想象的情况一样。
近日，南京大学的程营教授、刘晓峻教授课题组及西班牙马德里卡洛斯三世大学Johan Christense教授课题组证明了拓扑非平庸相可以在一个结构管中设计，尽管晶格对称保持不变。这与声学中众所周知的拓扑相形成鲜明对比，这些拓扑相是通过破时间反转、镜像或反演对称提出的，这需要额外的设计复杂性和制造挑战。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-32777-0
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超导腔电力学：微波频率声频梳的实现
低耗散的机械和声学谐振器已经成为许多应用中的关键元素，如弱质量和力检测、定时和频率控制，以及变频。近年来对机械谐振器非线性行为的研究，特别是纳米和微尺度，因其在新型器件功能方面的潜力而引起了极大的关注；利用机械非线性，实现了参数放大、频率调谐和频率稳定。
在许多应用中，超过GHz的高工作频率对于抑制热机械噪声的影响、提高计时精度和准备非经典机械状态是非常理想的。然而，到目前为止，大多数非线性机械或声学系统只能在几兆赫兹的低频下工作。挑战来自于在如此高的频率下难以制备高质量(Q)因子机械谐振器，因为Q因子随着频率的增加而迅速降低。同时，机械谐振器固有的机械非线性也随着频率的增加而降低，因为机械谐振器变硬，变形振幅显著降低。因此，GHz机械谐振器的固有非线性效应，如通常利用的Duffing效应和electrostatic spring效应，通常是非常弱的。
近日，耶鲁大学的Hong X. Tang教授课题组提出了一种非线性多模超导电声系统，其中超导动力电感和压电强耦合的相互作用在10 GHz时建立了多个声模之间建立了有效的Kerr非线性，这是通过固有机械非线性难以实现的。通过用单微波音调激发这个多模Kerr系统，作者进一步证明了一个相干电声频率梳，并为超强耦合极限下的多模非线性相互作用提供了理论理解。该非线性超导电声系统揭示了多模谐振器系统的主动控制，并为微波频率下微梳的动态研究提供了一个可能的平台。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上，并被选为编辑推荐文章。（郑江坡）
文章链接：
10.1103/PhysRevLett.129.107701
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具有显著垂直磁各向异性的二维范德华Fe3GaTe2的室温本征铁磁性研究
具有强垂直磁各向异性(PMA)的室温本征铁磁性对于磁电子器件的开发是至关重要的，如磁隧道结和磁随机存储器等，其中本征铁磁二维范德华(vdW)材料更是促进了自旋隧道效应晶体管、电子隧穿结、巨磁阻器件及自旋显微镜等多种多功能自旋电子器件的发展。通常情况下，二维各向同性系统中的长程铁磁性容易受到热波动的影响，但可以通过磁各向异性引起的自旋波激发来调节。然而到目前为止，室温PMA只存在于常规的非vdW铁磁薄膜中，具有室温以上的居里温度和显著PMA的二维vdW本征铁磁晶体仍然较少，这对于电控铁磁和下一代二维低功率磁电子和自旋电子器件具有重要意义。
近日，华中科技大学常海欣教授研究团队采用自熔法制备了一种具备显著的PMA的二维vdW铁磁晶体Fe3GaTe2，居里温度达到350 K以上，是已知二维vdW铁磁晶体能达到的最高居里温度，其饱和磁矩高达40.11 emu/g，利用第一性原理计算自旋分辨的态密度在自旋向上和自旋向下之间表现出明显的不对称性，这与观察到的本征铁磁性相一致。此外，还实现了室温下基于Fe3GaTe2的厚度和角度相关的反常霍尔器件和直接磁畴成像技术，该工作对基于二维vdW铁磁晶体和各种vdW异质结构的下一代磁电子学和自旋电子学具有重要意义。（袁铭谦）
文章链接：
G. Zhang, F. Guo, H. Wu, X. K. Wen, et al. Above-room-temperature strong intrinsic ferromagnetism in 2D van der Waals Fe3GaTe2with large perpendicular magnetic anisotropy. Nat. Commun. 13, 5067 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-32605-5
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单层过渡金属二卤族化合物薄膜能带的尖端调节
由于二维过渡金属二卤族化合物(TMD)高度可调的物理性能，为发展石墨烯以外的先进电子产品提供了合适的平台。由于其表面键接近饱和，通常认为TMD材料相当稳定并且无相互作用，但单层TMD的性质仍然会受到扰动的影响。例如，在不同的基片上沉积的单层TMD材料的电子行为及光学等性能会发生改变，这种电子结构隐含的可调谐性备受研究学者关注。近年来，已有工作利用扫描隧道显微镜/光谱技术发现在高取向热解石墨(HOPG)表面沉积的单层MoS2的带隙调控范围达到了0.4 eV，另外还可以通过调控MoS2和底层HOPG之间的扭转角来改变带隙，但扭转方法只能调整带隙约0.2 eV，因此在大范围内调整带隙的机制对于实际应用有很大的意义。
近日，伊利诺伊大学香槟分校Tai-Chang Chiang等人利用扫描隧道显微镜/光谱技术，通过调节隧道电流，调控界面处电场及耦合强度，在MoS2和PtTe2两种单层材料系统中实现了可调谐的能带工程技术。研究发现随着隧道电流的增加，单层MoS2带隙呈对数下降，表明存在间隙内电场诱导的带隙重正化效应。相比之下，单层PtTe2的带隙表现出更明显的减小，并且实现了可逆的金属-半导体相变，在单分子层PtTe2的这种不寻常的开关行为，在体块半金属PtTe2中没有看到，通过理论计算发现是由于探针尖端与样品的直接相互作用耦合形成的，表面的Te原子 5p轨道更加延展，有利于与尖端W原子直接耦合。该工作对研究单层TMD材料可调谐带隙工程具有重要的意义，相关工作发表在《ACS Nano》上。（袁铭谦）
文章链接：
M. K. Lin, G. H. Chen, C. L. Ho, et al. Tip-Mediated Bandgap Tuning for Monolayer Transition Metal Dichalcogenides. ACS Nano (2022).
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05841
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一种基于无线磁驱变速箱的毫米级机器人
磁驱可为受限工作空间中的磁性微机器人提供快速、精确、无线和灵巧的力和力矩。在毫米级的许多应用中，需要高达数百毫牛顿的驱动力来穿透生物组织、撑开塌陷的空间或施加垂直于衬底的粘附力。然而，随着机器人尺寸的减小，磁力和力矩随着尺寸的减小而迅速减小，需要将磁铁放置在离机器人非常近的位置以获得相当高的磁场强度，从而限制了其在机器人远离磁场来源的情况下的应用，例如控制人体内部深处的微型机器人。此外，通过机械传动系统放大磁力矩和力输出也是一种很有前途的选择。轮系作为最广泛使用的放大施加的扭矩或力的传动系统之一，已在许多微系统和各种芯片应用。这些设计类似于许多缆绳驱动的机器人的传动，其中减速器与电机分开，并位于手臂的连接处。磁力矩或磁力被放大，传动刚度增加。所有这些优点促使研究人员为磁力驱动的移动毫米级机器人开发了微型变速箱，以实现更好的运动能力和不同的机器人功能。虽然微型变速箱已经用于由电机驱动的机器人，但机器人上集成的车载电源的困难阻碍了这些机器人的无线控制，制约了磁性毫米级机器人的运动性能和功能。
近日，德国斯图加特马克斯·普朗克智能系统研究所的Wenqi Hu提出了一系列毫米级的磁力驱动变速箱，由于磁致动器的无线特性和高扭矩密度，与其他微型旋转致动器相比，通过将磁致动器与微型变速箱相结合，将有更大的机会进行毫米级机器人设计。同时，这种微型变速箱可以无线访问，并与各种功能模块集成，以重复产生大的驱动力、变形和速度；将能量储存在弹性元件中；并锁定机械连杆。基于该变速箱开发的机器人可以在毫米尺度上实现在平板上或管子内爬行的蠕动机器人，具有可调节跳跃高度的跳跃机器人，抓取固体物体样本的夹持机器人，从靶子内部采集样本的针刺机器人，以及收集或释放液体的注射器机器人。因此，基于该无线磁驱变速箱开发的机器人在毫米尺度上实现蠕动爬行、跳跃运动以及各种固体和液体采样功能。相关研究发表在《Science Robotics》上。（何玉龙）
文章链接：
Chong Hong , Ziyu Ren, Metin Sitti, et al. Magnetically actuated gearbox for the wireless control of millimeter-scale robots [J]. Sci. Robot., 2022, 7: eabo4401. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq4385
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具有不寻常和可重新编程的吸湿变形模式的湿敏力学超构材料
力学超构材料作为超构材料领域的一个重要分支，由于人工设计的微观结构，在各种物理领域下获得了不同于传统材料的违反直觉的力学性能。它们在航空航天、保护设施和传感器等应用中显示出巨大的潜力。负热膨胀超构材料能够通过结合具有正热膨胀的材料来消除热应力，在光学设备、卫星天线和电子设备等器件或结构中需求量很大。与热膨胀对结构的影响类似，一些材料具有吸湿性，从空气中吸收水分，由于受约束系统中组成材料的吸湿膨胀不匹配而产生应力。它与热应力相当，可能导致劣化甚至失效。同时，无机材料总是对水分不敏感。当组件在吸收水分时的变形不同时，就会产生吸湿应力。此外，木材结构在湿度变化的环境和受限系统中也会产生吸湿应力。纤维增强层压板中吸湿引起的膨胀可能导致分层和开裂。吸湿应力会造成多种危害，同时它可以通过负吸湿膨胀（NHE）材料来平衡。传统材料很难通过改变成分和加工方法来实现NHE效果，但超构材料的出现提供了解决方案。但是，到目前为止，只有少数工作通过理论分析而不是模拟和实验来研究具有简单NHE特征的超构材料（如销连接的2D桁架结构和环杆结构）。考虑到实际环境吸湿条件远比理论计算复杂，需要平衡的吸湿变形也非常复杂，因此研究需要综合分析远远超出各向同性NHE模式的各种异常吸湿变形模式，并有必要进行实验。此外，复杂的环境条件和应用要求不仅需要任意变形，还需要自定义变形甚至可以重复编程，这远远超出了以前制造后具有固定功能的力学超构材料。
近日，北京科技大学白洋教授、刘传宝副教授团队受水分变化环境中两侧不同膨胀过程引起的松果弯曲驱动的启发，设计了具有从负到正的可调吸湿膨胀系数（CHE）的2D湿敏可编程力学超构材料。材料弯曲条作为构建块。进行有限元系统研究几何参数对CHE的影响，并通过实验进一步验证。除了各向同性吸湿膨胀之外，还展示了更多由水分引起的变形模式，包括各向异性、梯度、剪切、弯曲和2D结构的3D吸湿变形。通过像素化设计和编码构建块来实现任意吸湿变形。此外，提出了具有可重新编程吸湿变形的超构材料，在制造的超构材料的特定区域采用可擦除防潮涂层，即超构材料可以连续呈现不同的定制变形模式。我们设计的由水分触发的超构材料的各种变形模式为更好地消除吸湿膨胀产生的应力、设计形状变形结构、湿度传感器和致动器提供了一种方法。相关研究发表在《Materials Horizons》上。（徐锐）
文章链接：
B. Yisong, C. Liu, Y. Li, et al. Moisture-sensitive mechanical metamaterials with unusual and re-programmable hygroscopic deformation modes[J]. Materials Horizons, 2022.
https://doi.org/10.1039/D2MH00670G
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用于精细微网络穿越的变形微机械的快速多材料4D打印
无系留微型机器能够在生物空间中导航，有望应用于微创手术、成像引导分娩、传感和靶向治疗等。尽管在微型机器的制造、驱动和功能化方面取得了巨大进展，但实现微型机器在活体中的应用仍然具有挑战性。由于生物体内存在大量复杂的网络（如血管、神经系统、消化系统），具有形状变形的微型机器能力具有适应这些复杂微网络以用于特定应用的巨大潜力。基于小尺寸和可控的形状转换，变形微机械（SMM）有望无创地进入生物体内的受限和敏感区域，从而彻底改变各种生物医学领域。最近，已经开发出多种智能SMM，可以在各种形式的刺激下变形为多种构象，包括化学分子、磁场和光。独特的可变形性促进了SMM在动态可调微光学、靶向递送和货物显微操作中的广泛应用。尽管已经将各种微机械与刺激响应特性相结合以获得令人印象深刻的环境适应性，但它们中的大多数都需要多步骤的2D制造工艺来实现异质刺激响应材料的图案化。作为一种高精度和真正的3D加工方法，直接激光写入（DLW）及其全息延伸曝光已成为编程各种材料和实现各种微结构的有效途径。4D打印的微型鱼和微型抓手已被提议用于精确的药物释放和微粒捕获。然而，当前基于DLW的4D打印仍然存在问题。例如，广泛采用的点对点扫描策略通常效率低下，单一刺激响应材料限制微机械合成功能，在狭窄而复杂的微网络中的可控导航仍未得到探索。
近日，香港中文大学张立教授和中国科学技术大学吴东教授团队提出了两种可选策略来处理变形微机械（SMM），以遍历比它们自身更小的微网络。首先，为了解决加工效率低的局限性，一步涡旋曝光能够在10 min内制造出大量（>5000个）喇叭形微机械（TSMM）。基于空间光调制技术，将具有高斯强度分布的聚焦激光束调制成具有喇叭状分布的梯度3D光束，用于在一步曝光中快速构建TSMM。此外，为了扩展打印材料的种类，进而实现更多功能，采用非对称多材料DLW直接打印具有刺激响应性水凝胶和催化剂铂纳米粒子（Pt NPs）的复杂3D微鱼，该纳米粒子集可设计形状变形和气泡推进于一体能力。最终，两个SMM都可以通过形状转换实现通过比自己窄的网络的可控遍历。通过这两种方法制备的SMM将在复杂生物微网络中的靶向货物递送中找到有希望的应用。相关研究发表在《Small》上。（徐锐）
文章链接：
C. Xin, D. Jin, R. Li, et al. Rapid and Multimaterial 4D Printing of Shape-Morphing Micromachines for Narrow Micronetworks Traversing[J]. Small, 2022: e2202272.
https://doi.org/10.1002/smll.202202272
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