超材料前沿研究一周精选 2021年5月10日-2021年5月16日

通过将两层石墨烯以精确的角度堆叠在一起，便会出现一种具有扁平电子带的moiré超晶格。魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)的平带产生于层间杂化与单层石墨烯电子结构之间的相互作用，表现出大量的相关和拓扑现象。在部分带填充时，MATBG显示了相关绝缘和超导相的级联，其潜在机理仍在研究中。许多不同的Chern绝缘子相，由MATBG与六边形BN的排列或内在的强相关性也被发现。这些发现激发了人们对其他moiré系统的兴趣，并寻找在其中创建和控制平带的新方法。一个特别有前景的moiré系统是扭曲双双层石墨烯(TDBG)，其中Bernal双层石墨烯带结构与电场的可调性可用于创建可调moiré系统。然而，迄今为止还没有对该系统的能带结构进行直接测量，也没有对其可调性进行直接证明，而这是解释输运研究的基础。

近日，来自美国斯亨利普林斯顿大学的Xiaomeng Liu等人使用门调谐扫描隧道光谱直接演示了TDBG能带结构在电场作用下的可调性，并显示了其平带的电子关联和拓扑的光谱特征。该工作的光谱实验符合TDBG带结构的连续介质模型，并揭示了其隔离平带部分填充时的相关绝缘子间隙特征。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-23031-0

光学超表面具有通过高度局域化的电磁模式增强光物质相互作用的能力。这包括裁剪电磁场的空间分布来创建平面光学元件，以及偏振器件和光谱特性。此外，超表面可以对非线性光学现象进行前所未有的控制。尽管超表面提供了无数的新可能性，但它们的应用范围通常在缺乏可调性方面处于主要劣势。换句话说，超表面的特性是由其几何参数和材料组成决定的，通常在制造过程完成后无法调整。另一方面，基于半导体的主动超表面(SAMs)提供了可调的电磁响应，因为它们的光学特性是时间的显式函数。SAMs的可调谐性可以为基于主动控制的各种应用铺平道路。SAMs在光子学领域的一个重要的应用是全光开关和超快信号处理。全光开关在介质、金属和半导体纳米结构中得到了广泛的研究。活性纳米结构光学元件有望成为新型光计算和数据处理体系结构的潜在构建模块。然而，迄今为止，具有低激活能和高对比度超快开关的纳米级全光开关还没有被发现。

近日，美国埃默里大学Hayk Harutyunyan等人报道了在中红外中表现出强共振模式的非晶锗基微谐振器超表面上进行的泵浦-探针测量。ΔT/T≈1透过率，相对变化在50 μJ cm⁻²的极低泵浦影响下，获得了皮秒(降至τ≈0.5 ps)自由载流子弛豫速率。这些观察归因于有效的自由载流子的促进，通过高质量因子的光学共振影响透光率。其次是由于Ge的非晶晶体结构增加了自由载流子的电子-声子散射。基于介电常数模型通过晶体结构无序描述自由载流子阻尼的全波模拟结果与实验数据吻合良好。这些发现为纳米级的全光开关提供了一个高效、可靠的平台。相关研究工作发表在《Advanced Optical Materials》上。（丁雷）

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Robert Lemasters,et al, Deep Optical Switching on Subpicosecond Timescales in an Amorphous Ge Metamaterial, Adv. Optical Mater(2021).DOI: 10.1002/adom.202100240.

从声波和弹性波到物质的能量和动量的传递目前正被用于开发突破性的应用。例如，神经科学的最新进展使用亚毫米精度的脑深部核的热消融，聚焦超声束与组织的机械相互作用进行无创和局部神经调节，或者在大脑中靶向给药。有趣的是，除了线性动量外，带有螺旋位错的波场，即具有轨道角动量的声涡旋。这些声涡旋可以将它们的角动量传递给固体物体，并施加机械力矩。为了产生涡流波束，需要对声场进行精确控制。合成这些波束的方法器件之一是叉指换能器，其螺旋形状可以像全息图一样对场的相位进行编码，并通过产生旋转的瑞利波产生漩涡。最近，超材料被用于通过使用平坦和亚波长结构来产生涡旋波束，通过在选定频率调谐谐振器的几何结构，可以精确操纵传输相位。

近日，西班牙瓦伦西亚理工大学分子影像仪器研究所的Noé Jiménez教授和法国勒芒大学声学研究的Vicent Romero-García教授利用非线性自解调技术显示了在超过瑞利衍射长度的距离处形成了亚波长和次散射声涡旋。在非线性波混频过程中，由于角动量守恒，两个初级涡旋光束的时空干涉产生了亚波长涡旋。衍射极限以下涡流的合成在很多领域非常重要，例如使用涡流收发器的水声通信。在参量声天线中，主波束形成的端射虚阵会产生亚波长涡流。因此，使用自解调涡旋光束的涡旋编码信息在复杂介质中传输时，由于较低的吸收和散射，可以在较远的距离传输。这些结果表明，利用自解调技术可以产生任意拓扑电荷的旋涡，旋涡的宽度可调且为亚波长。这项工作为实际应用铺平了道路，例如基于涡流收发器的远程水下通信系统或用于生物医学超声应用的粒子和微泡的捕获和操纵。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.054027 

现代射频(RF)信号处理器(RFSP)利用多种在系统一级集成的技术，以实现其所有必要的功能。例如，高性能的无源滤波和延迟线通常可以在压电声波技术，如铌酸锂（LiNbO3）表面声波(SAW)和氮化铝体积声波(BAW)平台中实现。放大器和混合器等活性器件通常在半导体技术，如互补金属氧化物半导体(CMOS)和砷化镓（砷化镓）中实现。环行器和隔离器的非互易性是通过在射频传输线附近磁化铁氧体材料的回旋磁效应实现的。最近的非互易射频器件方法在耦合电感-电容(LC)或环形或wye拓扑中的声谐振器中使用时空调制，但需要射频驱动才能运行。

虽然这些技术都针对各自部件的性能进行了高度优化，但它们在系统层面的集成最终阻碍了RFSP的小型化，这与射频系统同时扩散和小型化的总体技术趋势直接冲突。RFSP前端的复杂性，特别是在所需的滤波器和放大器的数量方面，将随着在日益拥挤和拥挤的频谱环境中支持更多的频带和多输入/多输出设计的需求而显著增加。此外，还高度寻求同时发射和接收器(Tx)和接收器(Rx)在同一频段同时运行的发射和接收(STAR)系统，以通过提高可用带宽来提高频谱效率。全声RFSP将是超紧凑的，但基本组件仍有待验证。声表面波信号处理也可以解决从MHz到GHz的广泛频率范围，只需改变电极间距。这可以允许在一个芯片上制作多个频段的RFSP，大大减少了尺寸、组件数量、封装要求和实现现代射频设备中复杂的RFSP电路所需的组装。

在无源压电声波技术中加入有源、非线性和非互易的功能，可以使全声学和超紧凑的射频信号处理器成为可能。近日，来自美国桑迪亚国家实验室的Lisa Hackett等人为了实现这个目标，提出了一个异质集成的声电材料平台，由50纳米砷化镓钛半导体薄膜与41°YX铌酸锂压电基板直接接触。然后，演示了一个全声学射频信号处理器的三个主要组件：无源延迟线滤波器、放大器和循环器。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-021-22935-1

声彩虹捕获广泛应用在自增强声传感、声信号处理、滤波到宽带吸声的各种场景中，其优点是声波可以自由调制并且捕获在特定位置。事实上，彩虹俘获的概念最初是从量子光学和非线性光学的研究中提出的，目的是克服高光延迟和宽带宽之间的限制。通常需要具有强色散的材料来实现彩虹捕获。然而，在声学对应物中，由于天然材料中声音的色散不强，使得彩虹捕获的实现更加困难。随着声子晶体、声学超材料和超表面的发展，人工结构材料填补了天然材料的空白，实现了强声色散。另一方面，在建筑物、重型机械舱和车站，同时进行噪声衰减和通风是一个持续的追求。然而，噪声通常覆盖很宽的频率和角度范围，急需设计宽带或多频带的全向声通气屏障。近年来，基于不同的物理机制，人们努力拓宽工作频率和入射角范围，包括基于多频共振吸声材料的双层穿孔亚结构，基于单极和偶极共振模式叠加的喇叭状螺旋超表面，以及声波导中的钩状超表面等。

近日，安徽理工大学力学与光电物理学院的吴宏伟副教授和南京大学物理学院、固体微结构国家重点实验室的彭茹雯教授团队首次提出了一个理论模型来实现局部结构中基于径向梯度凹槽的亚波长封闭表面的声彩虹捕获效应。通过近似均匀化超材料，我们导出了沿结构方位方向传播的结构声表面波（SASW）的色散关系、场增强因子和空间场分布，并能通过调整结构梯度和初始内半径来自由调整SASW的陷阱位置。以此设计出一种具有多频段、全方位隔音和高通风性的声屏障。模拟结果表明，在考虑多频粘滞和热损失的情况下，声屏障仍能阻挡90%的入射能量，维持60%的通孔率。此外，为了演示声屏障的广角响应，他们还计算了不同入射角（0-180°）和频率下的传输损耗，发现多频带捕获效率基本不变在。此外，他们进行了实验测量，结果表明，材料损耗有效地拓宽了隔声频带。这种基于局部声彩虹效应的声屏障为设计满足宽频带响应、亚波长尺度、全方位阻挡和高通风要求的隔声材料开辟了一条新的途径。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.054033

增材制造（AM）为设计人员提供了满足现代产品设计日益增长的要求的可能性，以最大限度地提高性能（受重量和尺寸限制）。AM能够生产具有精细特征和内部几何形状的复杂结构，从而导致AM的使用不再仅仅局限于产品设计，而是作为新材料设计的途径。微晶格是一种基于空间分布的三维结构的新型蜂窝材料，具有亚毫米大小的蜂窝特征（即支柱、板、孔），其发展以前因缺乏合适的制造路线而受到阻碍。微晶格作为功能材料在催化、能量收集、强而轻的材料、吸声等方面的应用得到了越来越多的研究。微晶格一般可分为三类：桁架结构、三周期最小曲面结构和平板结构。桁架微格结构是基于一系列在特定空间布置下的压杆，其机械响应通常与压杆节点比有关。平板微晶格是近年来提出的一种新的晶格设计概念，但由于其比刚度和比强度的优越性。到目前为止，还没有研究同时具有吸声和机械能双重功能的微晶格。

近日，新加坡国立大学机械工程系Zhai Wei教授团队提出了四种面心立方基板微晶格和桁架微格作为新型的超构材料，同时具有优良的声和机械能吸收性能。微晶格的吸声机制是基于“级联共振单元理论”提出的，这是亥姆霍兹共振原理的一种扩展。与其他结构相比，平板微晶格具有更高的刚度和强度。然而，真正的平板微晶格由于其闭孔性质而无法制备，也就是说，被卡在闭孔中的原料（由于3D打印工艺）将无法被移除。于是，在板材设计中引入孔隙。巧合的是，这种改进也构成了基于空心腔的结构，这些空心腔的孔隙在几何上与亥姆霍兹谐振器相似。结果表明，这种新型的超构材料吸声系数接近1，比能量吸收高达到50.3 J·g^-1。吸收系数的特性主要受孔和腔的形态限制。优异的力学性能反过来又来自于板结构近似的膜应力状态和基材优异的延展性和强度。总之，本研究为具有双重吸声和吸能能力的超构材料具体结构设计和材料选择提供了一个新的概念。相关研究发表在《Small》上。（徐锐）

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X. Li, X. Yu, J. W. Chua, et al. Microlattice Metamaterials with Simultaneous Superior Acoustic and Mechanical Energy Absorption[J]. Small, 2021: e2100336.

https://doi.org/10.1002/smll.202100336

2D（二维）薄片是一大类原子级薄材料，例如石墨烯、氧化石墨烯和二硫化钼。2D薄片非凡的物理和化学性能有望转化为其宏观组件的卓越性能。然而，完整2D薄片的固有层间相互作用导致固体加工性差。一种替代性的方法是在表面活性剂或表面改性的辅助下，由2D薄片的均匀分散体进行溶液加工，即溶液加工方法，包括浇铸、纺丝和添加剂制造，已用于将稀释的分散体加工成宏观形式，如薄膜、纤维和气凝胶。但由于体积收缩率极大，对特征尺寸精度的控制有限。因此，固态塑料加工是获得高精度的一种优选方法。然而，塑料加工本质上会受到2D片状固体的强层间相互作用的阻碍。因此，迫切需要一种能够使精细结构易于由2D材料构建的加工策略。

近日，来自浙江大学高分子合成与功能化教育部重点实验室、高分子科学与工程系和南京科技大学国家特种超细粉体工程研究中心的Fan Guo等人报道了一种在环境条件下，以微米级精度成型2D薄片层状固体的液压塑性成型方法。干燥的2D层状固体由插层溶剂增塑，提供可塑近固体化合物，使局部发生塑性变形。这种插层溶剂诱导的液压塑性存在于广泛的2D材料中，例如石墨烯、二硫化钼和MXene。液压塑料成型能够制造复杂的空间结构(滚花、折纸)和直径低至390纳米的微压印管状结构，并具有良好的保真度。该方法提高了结构精度并丰富了2D宏观集合体的结构多样性，从而提供了一种可行的策略来调整它们的电、光和其他功能特性。相关研究工作发表在《Advanced Materials》上。（詹若男）

文章链接：Fan Guo et al. Hydroplastic Micromolding of 2D Sheets. Adv. Mater. 2021, 2008116DOI: 10.1002/adma.202008116

超材料由建构单元的周期性排列组成，具有自然界不存在的奇异性质和功能，如负折射率、负泊松比。可重构超结构能够自适应地改变其复杂的形状，在开发动态可调的先进技术方面具有巨大的潜力，如光学透镜、软机器人、智能穿戴设备和生物医学设备。折纸结构通过不同的切割形状（例如线、三角形或方形切割）来构建周期性、可重构的超结构。目前对可变形折纸超结构的研究主要集中在宏观结构上。在纳米尺度和微尺度下制备可编程，可逆驱动，可重构的超结构仍然存在重大挑战。有些报道，主要依靠复杂和昂贵的制造技术，如聚焦离子束辐照、软刻蚀和多步微加工来构建小规模的超结构。基于双光子聚合（2PP）的微尺度3D打印技术的最新进展促进了小尺度亚结构的制备，这种亚结构具有高自由度，分辨率高达100nm。

为了构建小型可重构超结构，实现宏观激励与小尺度超结构之间的无线远程驱动策略最为关键，液晶弹性体（LCEs）人工肌肉可以为微结构的远程驱动提供解决方案。LCEs会沿着局部导向场（director field）方向收缩，同时在正交方向扩张。这些特性使LCEs成为理想的人工肌肉，在微尺度上具有可编程和可逆的驱动能力，为折纸微结构的转变提供动力。最近，来自清华大学（Tsinghua University）和德国马克斯普朗克智能系统研究所（Max Planck Institute for Intelligent Systems）的研究人员利用LCEs的可编程性和响应特性，使用2PP技术来实现微型可编程和可重构的超表面。以LCEs为人工肌肉，通过对2PP制备的折纸微结构进行远程驱动，通过实验和模拟，探讨了它们在合理设计几何参数下的不同热响应转变行为。此外，研究人员还展示了概念应用，例如基于LCEs驱动的折纸超结构的温度开关和信息加密。该研究推动了可重构微尺度超结构的设计、制造和驱动策略上的进展。相关研究工作以“Liquid‐Crystal‐Elastomer‐Actuated Reconfigurable Microscale Kirigami Metastructures”为题发表在《Advanced Materials》上。（鲁强兵）

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https://doi.org/10.1002/adma.202008605

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