今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及拓扑谷与量子霍尔边界输运之间的相互作用、基于表面波转换的声能量采集超表面、在扭曲的单层-双层石墨烯中的成像拓扑和相关绝缘态、基于各向异性的大型可逆形状变换的高度稳定超结构等敬请期待！
索引：
1.直接墨水书写:一种适用于多种材料的3D打印技术（综述）
2.基于各向异性的大型可逆形状变换的高度稳定超结构
3.基于表面波转换的声能量采集超表面
4.用于宽带吸声的柔性管状可重构吸声器
5.在扭曲的单层-双层石墨烯中的成像拓扑和相关绝缘态
6.拓扑谷与量子霍尔边界输运之间的相互作用
7.用于在整个电信范围内聚焦和成像的消色差超光纤
1.直接墨水书写:一种适用于多种材料的3D打印技术（综述）
增材制造（AM）不仅有可能超越传统制造在效率和设计方面的限制，而且还能维持下一代文化和技术的发展。目前已经探索了AM中的几种打印技术，它们允许在可定制的构建体积上以高速和精确的方式制造材料。其中，直接墨水书写（DIW）已成为最通用的AM方法之一，它使各种材料能够用于创建复杂、周期性的3D结构。DIW是一种基于挤压的AM技术，有助于在中尺度和微尺度上制造具有复杂结构和成分的3D结构。在此过程中，作为粘弹性墨水的材料通过沉积喷嘴以逐层方式挤出，以在计算机控制的平移台上构建3D几何形状。挤压后，3D构造固化，生成具有所需特征和特性的结构。DIW的低成本、简单性和在单个加工步骤中组合不同材料的能力引起了广泛关注。DIW与其他AM技术的不同之处在于它不受材料类别的限制，只要前体油墨表现出适当的流变行为，如表观粘度、剪切和压缩下的屈服应力以及粘弹性。因此，该技术实际上允许将任何墨水有效地打印为具有高分辨率图案、建筑自由度和预期的不同材料特性的3D结构。DIW通过单步处理实现多材料结构的潜力可以简化整体制造时间、能源、成本和浪费，而不会失去关键的材料特性。DIW的丰富潜力已引起了对聚合物、金属、陶瓷甚至具有定制的力学、电学、热学、化学和生物特性的活体材料的3D打印进行广泛研究（生物医学设备、人造器官、组织工程、能量存储平台、光电器件、超构材料、软体机器人、电子、传感器甚至食品打印）。尽管该技术主要在研究实验室中用于小规模制造和原型制作，但它具有轻松快速地制造工业级原型的潜力。考虑到其多功能性和持续发展，DIW有望在未来扩大其在各个行业的影响和实施。
近日，美国麻省理工学院A. John Hart、美国莱斯大学Pulickel M. Ajayan和Muhammad M. Rahman团队全面回顾了各种材料的复杂3D结构的DIW，包括聚合物、陶瓷、玻璃、水泥、石墨烯、金属及其通过多材料打印的组合。首先概述了油墨流变学的基本原理，深入了解挤出过程。接着深入如何为不同类别的材料开发墨水组合物，或者可以定制它们的组合以开发具有所需特性和功能的工程结构。此外，对DIW的适应性进行了评估，适用于从电子和结构应用到生物学和生物医学工程的应用。最后，强调了该技术当前的挑战和局限性，以及其作为未来可能创新指南的前景。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）
M. A. S. R. Saadi, A. Maguire, N. Pottackal, et al. Direct Ink Writing: A 3D Printing Technology for Diverse Materials[J]. Advanced Materials, 2022.https://doi.org/10.1002/adma.202108855
形状转换使结构能够彻底改变其3D形状，因此，可以设计出能够适应不同环境条件并高效运行的多功能组件，如自适应立面用于提高建筑物的能源效率、变形机翼以提高飞行性能、高度可包装的组件以实现更好的运输等。尽管取得了重大进展，但在实际应用中仍然缺乏所需功能。如果这个过程是可逆的，形状转换的潜力将得到充分利用。迄今为止，大多数结构只能重构一次，或缺乏自锁能力，即需要连续的电源输入来保持所需的构型。目前，在大型可重构结构中成功集成可逆性和自锁能力是一个公认的挑战。多稳定性提供了应对这一挑战的可能性。多稳态组件本质上可以在对应于结构稳定状态的不同构型之间可逆地切换，并且可以在任何这些构型中自锁。目前只有少数概念能够实现大形状转换和大量的稳定状态。将双稳态单元组装成周期性结构是创建多稳态系统的常用方法。然而，这可能会抑制稳定状态，或导致复杂的机制使结构难以控制。与单独的单胞或稳定状态之间的高耦合相比，其他方法可以显着减少周期性排列中的变形。
近日，瑞士苏黎世联邦理工学院Giada Risso团队提出了一类高度多稳定的新型形状可重构结构。结合了自形成、力学超构材料和高各向异性三个设计特征。这些功能中的每一个都在这个概念设计中发挥着至关重要的作用。自成型结构是2D组件，在驱动时会变形为复杂的3D形状。这种传统材料的模块化组装可能导致单独使用组成材料无法实现的特性。可以通过调整各个模块的设计参数来对超构材料的全局几何形状和力学性能进行编程。高度各向异性是一种广泛用于增强结构组件功能和性能的特性，利用此属性来实现多稳定性。此外，还证明它们的组合能够实现高度通用的形状转换。超结构是通过将高度各向异性条带的2D周期性组件与预拉伸软膜相结合来制造的。该结构可自行塑造成各种复杂的3D几何形状，可编程、可逆地变形，并且由于其多稳定性特性而自锁定为不同的3D形状。特别是，证明了多重稳定性与条带的各向异性严格相关。在超结构表面选择性地放置定制设计的气动执行器来主动控制3D形状，利用大形状变换来创建受尺蠖启发的运动软体机器人。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）
文章链接：
G. Risso, M. Sakovsky, P. Ermanni. A Highly Multi‐Stable Meta‐Structure via Anisotropy for Large and Reversible Shape Transformation[J]. Advanced Science, 2022.https://doi.org/10.1002/advs.202202740
从环境中获取能量已经引起了研究人员越来越多的兴趣，因为它在无线传感器网络和物联网等领域具有广阔的应用前景。环境能量，如振动、风能和太阳能，在无线传感器网络充电或替代电池方面具有潜在的先进应用。与其他环境能源相比，声能在普通环境中的能量密度相对较低，总是被忽略和浪费。近年来，人们提出了许多人工材料和结构来限制和定位来自周围环境的声音。
最基本的声能采集器(AEHs)通常利用不同类型的谐振腔，如亥姆霍兹谐振腔、四分之一波长谐振腔和其他腔体谐振器来放大入射声压。然后，它们可以根据不同的能量转换机制进行分类，如压电、电磁和摩擦电。由于基于谐振腔的声能量采集器的几何结构对工作频率有很大的依赖性，目前应用较多的基于谐振腔的AEHs存在体积大、声场不可控、频带窄等缺点，限制了声能量作为动力源的应用范围。
不同于谐振腔只能将声波限制在腔内，声学超材料已被证明具有丰富的物理性质和非凡的波操纵能力，也可用于限制和定位声能。声学超表面作为二维声超材料，表现出超波长厚度和完全控制相移的超薄平面特征。受广义Snell定律的启发，声学超表面具有非凡的波前整形能力，可用于反常折射、非对称传输、声吸收以及从传播波到表面倏逝模式的转换。许多关于声学超表面的研究已经实现了从传播波到表面倏逝模式的转换，但很少有研究表面模式在声能量收集中的应用。
近日，南京大学的程建春教授课题组提出并演示了一种具有相位调制的声梯度超表面，可以将传播波转换为表面有界波，以集中能量。由于周期设计，在正入射情况下，多个表面波可以形成驻波。然后，将所有的压电复合材料片(PCSs)放置在波脊区域，收集声波能量，并使不同PCS的输出电压保持相同相位。数值模拟和实验结果表明，声压比入射波大5倍，输出功率提高了8倍。相关工作发表在《Applied Physics Letters》上。(郑江坡)
文章链接： doi: 10.1063/5.0097676
宽带吸声在各种实际和科学应用中极为有用，这些应用需要减少声反射和透射，以实现精确的传感和噪声抑制。为满足这一要求， 目前广泛采用多孔或刚性材料制成的声屏障。然而，这些符合质量定律的屏障不可避免地变得笨重，难以控制低频声音，从而推动了紧凑型亚波长吸声材料的声学超材料研究。声学超材料吸声材料取得了长足的进展，其具有超薄结构、超宽带吸收和极低频吸收等特性。这些属性是通过协同使用多重共振和空间卷绕方法实现的。或者，通过使用几个重阻尼共振来实现宽带吸收，以最大化每个共振的带宽。除了这些极端特征外，声学超材料已经发展成为可调谐的多功能吸声器，例如通风吸声器，允许气流通过并阻止声音传播。上述声学超材料专门使用高刚度材料（例如塑料和金属）通过刚性壁定义亥姆霍兹和四分之一波长谐振器的空腔和通道。因为高刚度墙体的结构模式通常与声学模式解耦，通过求解空气域中声波的波动方程来简单地分析这些超材料，而不考虑结构响应。尽管有这些优点，但用于声学超材料吸声器的柔性材料可以通过诱导额外的共振模式来进一步提高声学性能，并将材料刚度用作控制声-结构相互作用的调谐旋钮。
近日，丰田北美研究院Taehwa Lee等人演示了通过使用柔性管状谐振器实现的软可重构吸声器。他们构造了两种由柔性管谐振器组成的吸声器。一种是壁式吸声器，另一种是导管式吸声器。这两种吸声器都通过实现不同谐振频率的多个谐振器来实现宽带吸收。由于结构柔度，管吸声器展现了有趣的声-结构耦合现象，并表现出声模式和结构模式的混合共振，其特征是在强耦合区域出现Rabi分裂，在弱耦合区域出现类Fano共振。此外，柔性谐振器的软壁通过降低管内的有效声速来降低低频吸收的谐振频率。这项工作有助于深入了解柔性声学谐振器，并为在空间有限的应用中缓解噪声提供了可行的解决方案。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）
文章链接：
Ryohei Tsuruta,et al. Reconfigurable Acoustic Absorber Comprising Flexible Tubular Resonators for Broadband Sound Absorption,Physical Review Applied 18, 014055 (2022).
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.014055
5.在扭曲的单层-双层石墨烯中的成像拓扑和相关绝缘态
范德华异质结构一直是设计和操纵材料能带结构的理想试验场。在微调相邻两个范德华层之间的晶格错位后，可能会出现平带，且已被用于探索相关的量子相。随着那些隔离良好的平坦带的带宽变得与库仑相互作用相当或小于库仑相互作用，强相关的相互作用支配了电子行为。在扭曲的双层石墨烯(tBG)中，这种相互作用驱动的Mott类绝缘体、非常规超导性甚至Chern绝缘体都通过专门掺杂这些窄平带而实现。将这种扭曲的概念扩展到石墨烯多层将允许平坦带在拓扑上是非平凡的，因为可能会降低空间对称性。能带拓扑与拓扑平带内那些强相关物理的有效耦合为探索新兴的量子现象提供了一个更加灵活的平台。
近日，来自中国科学院大学物理学院和中科院拓扑量子计算卓越中心、材料科学与光电技术学院、材料科学与光电工程中心和中国科学院物理研究所的Si-yu Li等人通过扫描隧道显微镜和扭曲的单层-双层石墨烯中相关绝缘状态的光谱学报告了观察结果，导致了电子晶相的形成。在整数填充处，强库仑相互作用会在一个moiré晶胞内重新分配平带电子，从而在费米能级产生具有消失状态密度的绝缘状态。此外，他们的方法能够直接可视化由电子晶体与扭曲的单层-双层石墨烯的非平凡能带拓扑结构之间的相互作用产生的拓扑圆环形状态的有序晶格。他们的结果说明了一种有效的策略，可以将拓扑物理与扭曲的范德华结构中的强电子相关性结合起来。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（张晓萌）
文章链接：
Si-yu Li et al. Imaging topological and correlated insulating states in twisted monolayer-bilayer graphene. Nature Communications (2022) 13:4225
https://doi.org/10.1038/s41467-022-31851-x
二维六边形材料的费米面附近的电子通常占据两个或多个不同的电子谷。谷指数增加了载流子的电荷和自旋，使低温下自发对称破缺有了额外的通道，由此谷被独立极化或与电荷和自旋自由度结合。诱导非平庸谷响应的最直接方法是打破亚晶格对称性。这在氮化硼中自然发生，使其成为量子谷霍尔绝缘体。在Bernal堆叠双层石墨烯中，施加层间偏压也可以获得同样的效果。此外，通过空间改变其符号，可以创建拓扑畴壁，它显示出具有量化电导的一维(1D)电子通道，对后向散射具有弹性。这些电子畴壁态为研究一维输运和相关物理提供了一个灵活的平台。然而，通过静电门控来制造它们在技术上具有挑战性。幸运的是，在双层石墨烯的堆积畴壁(DWs)上也发生了类似的物理现象，其中石墨烯层的堆积排列从AB变为BA。这种畴壁在自然Bernal堆叠的双层石墨烯中很常见，甚至在扭曲双层石墨烯中普遍存在。当均匀电场作用于具有畴壁的双层石墨烯薄片时，沿位错出现受拓扑保护的谷螺旋态，并被绝缘块体包围。与人工制造的相比，堆叠畴壁与双层石墨烯的自发对称破缺具有更丰富的相互作用，因为不会因应用偏压而导致层间电荷不平衡。在量子化磁场存在的情况下，叠加畴壁和自发对称破缺之间的相互作用特别有趣，因为双层石墨烯由于零能级朗道能级的八重简并(来自两个谷、两个轨道朗道能级指数和两个自旋-neglecting Zeeman splitting)而呈现出非常丰富的相图。
近日，德国慕尼黑大学的Fabian R. Geisenhof等人重点研究了拓扑畴壁态和量子霍尔边输运在八重简并零朗道能级的高质量悬浮双层石墨烯中的相互作用。作者发现，在不同的量子霍尔态中，由于导电通道在畴壁和器件边界之间交换，因此两端电导在低磁场中保持近似恒定。然而，对于高磁场，作者在畴壁观察到传输抑制的证据，这可以归因于光谱中小带隙的出现。这表明堆叠畴壁在顺序参数上可能与拓扑畴壁不对应。相关工作发表在《NATURE COMMUNICATIONS》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-31680-y
光纤由于其独特的特性（例如灵活的处理、强光限制和长距离高效光传输）而具有重要的技术意义，在现代光学中有着大量应用，例如光纤通信、光阱、传感和内窥镜成像等。特别是，柔性光纤内窥镜能够对体内环境中的内部组织进行扫描成像进行医学诊断。在光纤成像过程中，物体的散射和发射光由体积庞大的梯度折射率透镜、折射球透镜或最近在光纤端面上实施的打印自由形式微透镜收集。然而，由于受这些透镜的几何形状和折射率分布的限制，会导致无法补偿的强群延迟，从而导致显着的色差，从而使宽广波长范围内的光学图像变得模糊。尽管用于内窥镜应用的米级单模光纤的色散可以忽略不计，但位于光纤端面上用于光学聚焦和成像的光学透镜会遭受强烈的色差。
近日，来自澳大利亚Monash大学物理和天文学学院、理学院和德国路德维希马克西米利安大学物理学院的Haoran Ren等人展示了单模光纤端面上的3D消色差衍射超透镜的设计和纳米打印，能够在1.25到1.65 μm的整个近红外电信波长波段执行消色差和偏振不敏感聚焦。这代表了商用光纤的整个单模域。3D纳米柱间原子中未锁定的高度自由度极大地增加了消色差超透镜的时间带宽乘积的上限，高达21.34，从而实现了-8到14 fs的宽群延迟调制范围。此外，他们展示了使用紧凑且灵活的消色差超光纤进行光纤共聚焦成像，能够在宽带光照明下创建聚焦清晰的图像。这些结果可能会释放光纤超光学在广泛应用中的全部潜力，例如高光谱内窥镜成像、飞秒激光辅助治疗、深层组织成像、波长复用光纤通信、光纤传感和光纤激光器等。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（张晓萌）
文章链接：
Haoran Ren et al. An achromatic metafiber for focusing and imaging across the entire telecommunication range. Nature Communications (2022) 13:4183https://doi.org/10.1038/s41467-022-31902-3
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除），所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
