超材料前沿研究一周精选 2021年10月11日-2021年10月17日

在生物学和工程学中，反应材料的不同之处在于它们能够以量身定做的方式对外界刺激作出反应。例如，肌肉会因电信号而收缩，而机械热固体则会因温度变化而发生剧烈变形。与具有特殊功能部件的计算机或多细胞生物不同，分布式材料中的无差别物理机制在传感、信息处理和响应方面提出了独特的挑战。然而，当材料拥有分布的、局部的能量储藏库时，可用功能的范围从根本上得到了扩展。这种活性材料所表现出的反应是被动式或节能材料所不允许的。活动与被统称为互易的物质对称密切相关，但并不等同。超材料设计和原型制作的最新进展是利用有源元件来实现传感、激光和隐身、频率依赖的反射率、单向波放大、能量收集和模拟计算等功能。然而，到目前为止所认识到的所有主动的非互易超材料都表现出以下两种基本限制:主动的非互易效应要么在准静态限制中从线性响应中消失，要么需要存在线性或角动量的背景源。因此，它们的功能很大程度上局限于有限频率控制，或者从根本上要求样品与作为动量汇聚或源的附加介质接触。

近日，来自美国哥伦比亚密苏里大学机械与航天工程系的Yangyang Chen等人实现了一个有压电元件和电子前馈控制的独立的有源元束，它产生了在节能介质中不存在的奇异微极性弹性。非互易奇模量使弯曲和剪切循环能够将电能转换为机械功，反之亦然。弹性模量的符号与非Hermitian拓扑指标相联系，该指标决定了振动模对样本边界的局部化。在有限频率下，他们还可以调整有源模量的相角，以产生方向相关的弯曲模量，并控制非Hermitian振动特性。他们的连续方法，建立在对称性和守恒定律的基础上，可以用来设计其他系统，如具有前馈控制回路的合成生物丝和膜。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Yangyang Chen et al. Realization of active metamaterials with odd micropolar elasticity. Nature Communications (2021) 12:5935

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26034-z

使用角度传感器测量波前已有很长的历史。最好的例子是Shack-Hartmann传感器。与其他波前传感方法相比，基于角度的波前传感方法在工业应用和科学研究中应用更为广泛。它的广泛采用归功于它完全集成的设置、鲁棒性和快速。但由于受到角度传感器尺寸的限制，空间分辨率低的问题长期存在。

近日，来自威斯康星大学麦迪逊分校电子与计算机工程系的Soongyu Yi和Jin Xiang等人报告了一个基于角度的波前传感器来克服这一挑战。它使用了由平面光学制成的超紧凑角度传感器。它直接集成在焦平面阵列上。这种波前传感器继承了基于角度的方法的所有优点。此外，它将空间采样密度提高了两个数量级以上。大幅度提高的分辨率使得基于角度的传感器可以用于定量相位成像，实现高分辨率表面形貌的视频帧记录等功能。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Soongyu Yi et al. Angle-based wavefront sensing enabled by the near fields of flat optics. Nature Communications (2021) 12:6002

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26169-z

声学成像在生物医学诊断、无损评估(NDE)和结构健康监测(SHM)等许多领域都具有重要意义。通常，声成像系统的空间分辨率受到衍射的限制。这一约束主要归因于远场效应，在远场效应中，携带成像物体亚波长细节信息的倏逝波以指数形式消失。为了解决这一限制，特别是在深亚波长声学成像中，应在图像形成中提供并恢复倏逝波。在过去的几十年里，科研人员已经从理论和实验上对倏逝波进行操纵，以实现亚波长成像。在这些研究中，首次提出了具有负有效特性的超透镜，从而推动了由声学超材料组成的声学超透镜的发展。亚波长成像已经成功地用声学超透镜进行了演示，这些超透镜表现出负密度，负体积模量。然而，仍然存在一些问题，比如分辨率问题。

近日，浙江大学机械工程学院Jian Chen等人利用超构透镜内部的场增强技术，在空间分辨率、分辨对比度和工作带宽等方面全面突破了深亚波长声学成像的障碍。建立了一个微观模型，从理论上揭示了梯度深亚波长声成像的基本物理机制。作为概念证明，该研究提出的方法的成像性能得到了数值证明和实验验证。

具体地说，当分辨率对比度提高至少6.5倍，工作带宽扩大到工作频率的大约25%时，实现了λ/100以下的分辨率突破。此外，研究人员还介绍了深亚波长尺度的脉冲声成像技术，这是实现超分辨率声成像技术实际应用的重要一步。研究人员相信，该工作将极大地有利于声学领域的各个方面，例如在医学诊断中可视化皮下组织结构，以及在工业无损评估中表征亚表面缺陷。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷） 

文章链接：Jian Chen，et al, Escalated Deep-Subwavelength Acoustic Imaging with Field Enhancement Inside a Metalens. PRApplied(2021).

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.16.044021.

电磁超表面可应用于超薄光学元件（<工作波长），这对光学系统的小型化至关重要。超表面由亚波长单元构成，这些亚波长单元可以在几何结构中与其周围形成介电常数或磁导率的明显差异。这种亚波长单元可构成晶格模型，即自然原子的类似物，而超表面的工作方式也与固态物质类似。其中，周期性超表面是最普遍的结构之一。与天然晶体一样，周期性超表面由于超原子之间的长程相干作用而产生二维（2D）布拉格模，并产生有效介电常数或磁导率的强烈色散，且与晶格几何形状密切相关。色散产生高Q（品质因数）共振反射或吸收，使其成为化学传感、激子与吸收耦合的理想平台。此外，出现共振的频率取决于晶格的几何形状和周期性，这些自由度动态控制超表面的共振，从而控制强耦合状态，可作为活动超表面的设计方法，这对光子和通信系统至关重要。

相变在固态物质以及周期性电磁超表面（光子晶体的类似物）中是普遍存在的。尽管这种转变决定了活动超表面的性质，但描述周期超表面结构转变的通用方法尚未建立。近日，新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院的Xiaodong Chen团队报告了可拉伸超表面的应变使能相变（或晶格变形）。他们通过理论研究和实验证明了在一定应变结构下，等离子体晶格在两个任意二维布拉维晶格之间的相变。应变引起的结构对称性降低导致偏振时的光学各向异性，即线偏振和圆偏振二向色性。此外，该团队进一步证明了相变在外加应变信息解码中的潜力。从对称性的角度解释超表面的相变将有望深入挖掘其他有趣的性质，并为设计活动超表面提供一种可行方法。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（钟雨豪）

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https://doi.org/10.1002/adma.202102560

纳米无机材料具有广阔的应用前景，在基础研究和实际应用方面都引起了广泛的关注。二氧化硅(SiO₂)是应用最广泛的无机材料之一，在微电子学、微电子机械系统和微光子学等领域均需要具有纳米分辨率的制备方法。为了制造具有所需纳米结构的二氧化硅，通常需要复杂的自上而下的工艺过程，包括热氧化和化学气相沉积，然后是干法或湿法蚀刻。虽然这些微加工技术非常成熟，但这些技术涉及危险的化学品（例如，阻蚀剂、开发剂和蚀刻剂），并需要复杂的制造设备。此外，使用自上而下的工艺来实现纳米分辨率复杂和/或不对称的三维结构是非常困难的。因此，对于能够产生具有复杂几何形状和化学变化的三维二氧化硅结构的直接纳米制造技术的需求很大。

近日，美国莱斯大学的楼峻、Pulickel M. Ajayan、Jacob T. Robinson以及清华大学Wang Weipeng团队开发了一种3D打印高质量二氧化硅纳米结构的方法，分辨率小于200 nm，并具有稀土元素掺杂的灵活性。在烧结过程控制下，打印出来的SiO₂可以是非晶态玻璃，也可以是多晶方石英。3D打印的纳米结构展示了极具吸引力的光学特性，所制备的微环面光学谐振器的质量因子(Q)达10⁴以上。相关工作发表在《NATURE MATERIALS》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41563-021-01111-2

刺激响应材料通过自我修复、改变力学性能或从一种形式转变为另一种形式来响应外部环境的变化。这些材料在工程应用中的效用取决于所使用的刺激类型以及引发的反应。响应外部刺激（包括pH值、温度、光和电场）的刺激响应材料的许多例子已被用于各种生物医学和生物技术应用。通常，这些刺激会直接改变材料的物理特性，从而产生所需的刺激反应。这些技术可用于构建传感器、软体机器人、仿生器件和药物输送器件。然而，触发形状变化的外部刺激通常是温度变化、紫外线照射或溶剂暴露，这些通常是生物医学应用中的限制因素。一般来说，如果在人体中使用这些类型的刺激可能会对周围组织造成负面影响。为了克服这些限制，对环境中微妙的生化变化做出反应的材料可能更适合生物医学应用。活的有机体天生对各种目标生化物质有特异性反应，并且可以设计成在材料中诱导特定反应。工程生物材料（ELM）集成了活细胞和合成成分，并已被用于制造刺激响应装置。工程生物材料可以设计为利用活细胞的生物学功能来检测环境中的微小变化并以程序化的方式做出响应。3D打印技术已被用于控制酵母和细菌在用于生物催化过程以及环境和生物医学应用的3D结构中的空间分布。在合成材料中，4D打印技术使设计能够改变形状的刺激响应材料成为可能，其中3D制造形式随时间变化以产生4D打印结构。这些4D结构为形状变形医疗器件的设计和研究开辟了新途径。

近日，美国德克萨斯农工大学Taylor H. Ware团队报道了一种使用墨水直写打印来制造工程生物材料（ELM）的方法，该材料通过对特定分子进行程序化的形状变化来做出响应。通过整合仅在特定生物分子存在的情况下增殖的基因工程酵母，将刺激响应性赋予工程生物材料。反过来，这种增殖会导致工程生物材料响应该生物分子的形状发生变化。这些工程生物材料是通过共同打印包含多种酵母菌株的生物墨水制成的。在局部，细胞增殖导致材料的可控形状变化，导致体积增加高达370%。在全局范围内，打印的3D结构包含体积增加的材料区域和在给定条件下不会增加的区域，从而导致响应目标氨基酸和核苷酸的可编程形式变化。最后，这种打印方法被应用于设计一种基于储层的药物输送系统，用于响应特定生物分子的模型药物的按需输送。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）

文章链接：

L. K. Rivera-Tarazona, T. Shukla, K. A. Singh, et al. 4D Printing of Engineered Living Materials[J]. Advanced Functional Materials, 2021, n/a(n/a): 2106843.

https://doi.org/10.1002/adfm.202106843

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