超材料前沿研究一周精选 2021年5月5日-2021年5月9日

许多蝴蝶、鸟类、甲虫和变色龙将它们壮观的颜色归功于它们翅膀、羽毛或皮肤内的微观图案。由于一个完整的光子带隙(PBG)，这些图案或光子晶体会对相应波长的光产生全向反射。已知具有PBG的天然晶体结构的数量相对较少，而那些更小的子集，包括钻石和反蛋白石，已经被证明是很难合成的。

对二维PBGs的研究也为光子晶体的设计提供了有用的见解。近日，来自美国密歇根大学安娜堡分校的Rose K. Cersonsky等人报告超过150000光子能带的计算，从中预测351种光子晶体模板，包括近300种原先未报告的结构，这可能可以在许多应用和长度尺度上实现，包括一些在可见范围内通过胶体自组装。有了大量的三维光子晶体，该文章也重新审视和讨论了经常使用的PBG材料的主要设计启发式方法。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-22809-6

玻尔的互补性是量子物理学的一个中心原则。在杨氏干涉仪或Mach–Zehnder干涉仪上进行的大量双缝或双路实验证实了量子物质的双重性。这些量子物体显示出波和粒子的特性，但只是，取决于它们被测量的方式。在等效的Mach–Zehnder配置中，在有或没有分束器的情况下，量子物体分别显示波或粒子性质，其中分束器代表测量设备的选择。延迟选择实验已经使不同量子对象的真正双路对偶性的显著证明成为可能。迄今为止，所有实验都是在双路径框架内进行的，而研究多路径干涉测量系统的互补性是一个非常重要的问题。

近日，来自北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室的Xiaojiong Chen等人演示了量子延迟选择实验中的广义多径波粒二象性，该实验由大规模硅集成多径干涉仪实现。单光子显示波和粒子特征之间复杂的跃迁，这是由量子控制的广义哈达玛运算的选择决定的。他们用多模路径信息表征粒子性质，用多径干涉相干性表征波性质，并证明玻尔多径对偶关系的推广。他们的工作为多维量子物理提供了深刻的见解，并为集成光子量子技术的可控性提供了基准。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Xiaojiong Chen et al. A generalized multipath delayed-choice experiment on a large-scale quantum nanophotonic chip. Nature Communications (2021) 12:2712 https://doi.org/10.1038/s41467-021-22887-6

光学系统的目的是控制不同应用的光流，如成像、光谱学、传感等。透镜是大多数光学系统的重要组成部分，它通过与横向不均匀结构的相互作用局部改变传播波的相位来控制光。几个世纪以来，人们一直在研究传统曲面透镜的替代品，以便使光学系统小型化，并有可能获得更好的光学性能(一个显著的例子是菲涅耳透镜)。目前大多数光学系统包括由自由空间区域分隔的透镜组合，在自由空间区域，光获得特定功能需依赖角度的相位延迟。最近，平面光学结构被提出来压缩这些大的自由空间体积，使整个光学系统小型化。然而，这些早期的设计只能取代自由空间长度有限的体积，或在非常窄的角度范围内运行，或需要高索引背景。这些问题导致这些设备在实际场景中的适用性有限。

近日，康奈尔大学电子与计算机工程学院Francesco Monticone和Aobo Chen首先推导出了压缩自由空间长度和工作角度范围之间的基本权衡关系，这解释了早期设计的一些局限性，然后研究人员提出了一个解决方案，通过使用适当耦合的谐振层组成的非局域超表面结构来优化这一权衡。该策略的灵感来自于基于耦合谐振器的带通微波滤波器，允许在宽角度范围内替换任意长度的自由空间体积，并且具有非常高的透光率。最后，研究人员首次从理论上证明了结合局部和非局域超表面来实现紧凑、全固态、平面结构的聚焦、成像和放大的潜力，其中透镜的焦距并不决定实现聚焦的实际距离。该发现有望拓展超表面领域的应用范围，开辟新的探索机遇。相关研究工作发表在《ACS Photonics》上。（丁雷）

文章链接：Aobo Chen and Francesco Monticone，Dielectric Nonlocal Metasurfaces for Fully Solid-State Ultrathin Optical Systems，ACS Photonics(2021).

https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c00189.

有源功能（主动调节功能）是现代光学器件不可缺少的特性。在数码相机中，变焦镜头是动态改变焦距从而改变视角的关键部件。空间光调制器能够以快速、高对比度和完全可逆的方式处理动态图像。然而，这些最先进的光学设备往往体积庞大，难以小型化。最近在纳米光子学中，一类新的光学元件，超表面，迅速进入了人们的视野。通过在二维平面上布置亚波长天线，超表面对光的传播具有特殊的控制，实现了平坦、超薄和高度紧凑的光学系统。到目前为止，基于金属和电介质的超表面已经得到了不断的改进，表现出卓越的性能。然而，超表面的工作元件，即金属或电介质天线本身一般是静态的，一般需要通过化学转化以产生主动响应，也可以使用功能材料作为周围介质间接赋予超表面活性反应。天线的光学特性，包括共振位置、线宽和强度，可以随着外界刺激下周围介质的电子、机械、化学或结构变化而显著改变。

在纳米光子学领域，被动超表面到主动超表面的发展不仅表现出有趣的物理现象，而且有利于实际应用。然而，由于纳米尺度上的设计和制造限制，在可见频率下工作的活性超表面通常表现出低性能。近日，德国斯图加特大学第二物理研究所、普朗克固体研究所的Na Liu教授和中国香港大学物理系的Jianfang Wang教授团队证明了电化学控制的超表面具有高强度对比度、快速开关速率和在可见频率下的优良可逆性。他们使用导电聚合物聚苯胺（PANI），它可以在预先选择的金纳米棒上进行局部共轭，以主动控制超表面的相分布。通过控制电化学过程中亚波长尺寸的聚苯胺生长，可以对超表面的光学响应进行原位监测和优化。该团队展示了具有良好开关性能的电化学控制反常传输和全息图。这种以电化学为动力的光学超表面为开发用于实际光学应用的超表面器件奠定了坚实的基础。相关研究发表在《Science Advance》上。（钟雨豪）

文章链接：Kaissner, R. et al. Electrochemically controlled metasurfaces with high-contrast switching at visible frequencies. Science Advances 7, eabd9450.

Doi:10.1126/sciadv.abd9450 (2021).

也许没有人会对隐形斗篷感到陌生，因为几个世纪以来，这个长久以来的梦想在无数的传说和小说中都有体现。为了实现这个梦想，人类从未停止过对它们的探索。特别是在过去的几十年里，超材料和纳米技术的出现点燃了人们实现人造斗篷的前所未有的热情，这给传统的斗篷领域带来了新的变化。一项突破性的方案是基于变换光学的斗篷，通过弯曲物体周围的光流，将散射抑制至零，从而使物体不可见。理论上，这种方法是完美的;然而，在实验中，由于各向异性和不均匀性较大的材料成分，使其受到破坏。超表面作为超材料的二维(2D)等效，近年来在提供电磁波的突变相移、振幅调制和偏振转换等方面表现出了丰富的光学特性。通过在隐藏物体上覆盖一个精心设计的超表面，散射场可以被重建，就像入射波撞击在没有隐藏物体的纯背景上一样。超表面的使用大大降低了隐形斗篷的厚度和复杂性。

近日，浙江大学电子工程学院ZHENG ZHEN等人提出了一种简单而可行的方法来实现透射超表面斗篷，它仅仅由两个平面超表面组成，用来隐藏物体，比如一只猫。为了解决非唯一性引起的难以收敛的问题，研究人员采用串联神经网络(T-NN)来有效地简化逆设计。一旦进行了预训练，T-NN就可以在一次正向计算中处理所需的电磁响应，节省了大量的时间。该工作为实现透明的隐形斗篷开辟了新的途径，串联神经网络也可以启发其它超材料和光子的反向设计。相关研究工作发表在《Photonics Research》上。（丁雷）

文章链接：ZHENG ZHEN et al, Realizing transmitted metasurface cloak by a tandem neural network, Photonics Research(2021).

https://doi.org/10.1364/PRJ.418445.

受晶格结构的启发，大多数类型的超构材料结构都基于支柱的周期性排列。为了寻求更高质量特定的力学性能，周期性板晶格被提出，能够更有效地存储应变能。基于贝壳的光滑网格结构引起了研究人员极大的兴趣，因为这些结构没有支撑杆或板格交点固有的应力集中，并且由于其固有的弯曲形态赋予了其较高的比刚度和强度，有高效的能量吸收行为。随着增材制造技术的迅速发展，人们对具有独特性能的超构材料的合理设计产生了广泛的兴趣。但是，许多应用需要多物理场超构材料，同时要优化多个性能。这是具有挑战性的，因为不同的特性，如机械特性和质量输运特性，通常会对超构材料的纳米/微米/介观结构提出相互竞争的要求。

近日，荷兰代尔夫特理工大学Sebastien J. P. Callens教授团队提出了一种参数化的超构材料设计策略，该策略能够独立调控有效的磁导率和弹性特性。双曲平铺理论被用于设计简单的模板，在该模板的基础上，将三重周期性最小曲面（TPMS）划分为硬区域和软区域。通过计算分析，证明了TPMS中硬相、软相和空隙相的修饰如何显着增强它们的磁导率-弹性性能空间，并在恒定磁导率下提供了较高的弹性和各向异性各向异性。还表明，这种渗透率-弹性平衡是很好地捕获使用简单的尺度定律。然后，通过典型样品的多材料增材制造来证明所提出的概念。该方法可推广到其他设计，为多物理场超构材料提供了一条途径，这些材料需要同时承载载荷并能够进行大规模运输，例如承重热交换器或设计的组织替代超生物材料。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）

文章链接：

S. J. P. Callens, C. H. Arns, A. Kuliesh, et al. Decoupling Minimal Surface Metamaterial Properties Through Multi‐Material Hyperbolic Tilings[J]. Advanced Functional Materials, 2021.

https://doi.org/10.1002/adfm.202101373

石墨烯、二硫化钼等2D材料由于其独特的物理化学性质，在电子学、光学、生物传感等领域具有重要的应用前景。通过控制这些材料来创建3D结构是一种有趣的方法，可以很好地调整它们的特性并创建具有小尺寸的新型3D设备。然而，与传统功能材料相比，2D材料具有极低的弯曲刚度，因此，在范德华力相互作用下获得稳定的3D结构具有很大的挑战性。有数百年历史的纸张成型技术——“剪纸”和“折纸”，可能为解决这一僵局提供了一个潜在的解决方案。其基本思想是通过预构图案和机械变形，可以根据需要将2D材料重塑并转化为3D结构，从而将剪纸/折纸的应用从传统的功能薄膜扩展到原子薄的纳米片。这种成形和结构策略不仅以可控的方式将2D材料与3D微纳结构相结合，而且为2D材料的特性裁剪提供了一种新的范例，从而实现了超出平面几何能力的更多功能。这种包含工程2D材料的3D微纳结构可以提供一个平台来探索前沿物理、生产出性能更高或功能前所未有的微纳器件。

近日，复旦大学梅永丰教授和中国科学院上海微系统与信息技术研究所狄增峰研究员团队回顾了2D材料剪纸/折纸的最新进展，将典型的剪纸/折纸策略与有前途的2D材料相结合，以不断激发多学科应用。文章总结了主要的2D材料（石墨烯、六角氮化硼和过渡金属二卤化物），这些材料已被证明能够通过不同的方法组装成各种平面外结构，包括简单的方法（折叠、滚动、起皱和屈曲）到更复杂的基于剪纸/折纸的方案。这些可预测、可控和可扩展的3D结构生成方法不仅为定制成形和结构化2D材料的特性提供了一个创新的视角，而且激发了在广泛应用中创建高性能设备的灵感。文章重点介绍了剪纸/折纸方法来塑造和构建2D材料。为了探讨2D材料剪纸/折纸的可行性，首先介绍了2D材料的相关力学性能。在此基础上，着重分析了机械装配过程的驱动力。接着又描述了通过2D材料的不同成形和结构方案，从定义明确的平面图案创建不同的几何图形，包括剪纸/折纸装配和更复杂设计的基本元素。在此基础上，总结了2D到3D变换在柔性电子、能量采集器、传感器、致动器、机器人和超构材料等领域的独特性质和应用前景。最后，展望了这一研究领域面临的挑战和未来的发展方向。相关研究发表在《Materials Science and Engineering: R: Reports》上。（徐锐）

文章链接：

Z. Zhang, Z. Tian, Y. Mei, et al. Shaping and structuring 2D materials via kirigami and origami[J]. Materials Science and Engineering: R: Reports, 2021, 145.https://doi.org/10.1016/j.mser.2021.100621

人体皮肤上类似纹身的电子设备在临床诊断、医疗、人机界面方面具有优势，可以实时、连续、无创地操作。这种有时被称为表皮或智能电子纹身(E-纹身)与皮肤兼容的电子系统，为刚性和脆性电子系统提供了一种可行的替代方案，刚性和脆性电子系统在皮肤保形接口方面会造成困难。然而，在满足日益增长的对低成本、生物相容、高度可变形和更多皮肤附着系统的需求方面仍然存在着问题。将电子元件与生物相容的纤维材料(如天然丝蛋白)相结合，是解决这些问题的一个很有前途的方法。而且它是实现柔性、可拉伸、可贴附皮肤的生物电子和光子器件的杰出材料。与此同时，碳纳米管由于其独特的性质，包括高的导电性/导热性、强的机械强度、化学稳定性、生物相容性和高的光电热转换效率，已经成为生物医学表皮和纹身类电子器件的有前途的候选材料。因此，利用丝蛋白中的结构调整以及碳纳米管的高机械强度和导电性的优势，有可能制造出在其他传统材料中难以实现的生物相容的、功能化的和皮肤共形的电子纹身系统。

近日，来自韩国水原大学物理系、能源系统研究系和基础科学研究中心的Narendar Gogurla等人提出了多功能的、生物相容的、可变形的、重量轻的和超薄的电子纹身系统，该系统可以直接附着到生物组织上，并且在使用后可以移除。该系统通过将高导电性的碳纳米管分散到具有多孔性质的生物相容性丝纳米纤维网络上以构建皮肤粘附超薄电子贴片来实现多功能应用。他们描述了包含电和光活性加热器、温度传感器(电阻温度系数为5.2×10^-3°C)、药物输送刺激器(> 500 um皮肤穿透深度)和实时电生理信号检测器的单个组件。这种将电子纹身集成到人体皮肤上的策略可以为可穿戴和表皮生物应用的下一代电子平台开辟一条新的途径。相关研究工作发表在《Advanced Materials》上。（詹若男）

文章链接：

Narendar Gogurla et al. Multifunctional and Ultrathin Electronic Tattoo for On-Skin Diagnostic and Therapeutic Applications. Adv. Mater. 2021, 2008308

DOI: 10.1002/adma.202008308

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