今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及最小扭曲双层石墨烯莫尔单元中的纳米成像光响应，基于随机超分辨率散斑的超材料辅助照明纳米显微术，高比强度和耐高温轻质聚酰亚胺蜂窝结构的3D打印等敬请期待！
索引：
1 最小扭曲双层石墨烯莫尔单元中的纳米成像光响应
2 基于随机超分辨率散斑的超材料辅助照明纳米显微术
3 超表面时空动力学-非对称光子自旋轨道耦合介导的矢量偏振光学混沌
4 硅光子学中灵敏、小型、宽带和可扩展的光机械超声传感器
5 用于无创无痛眼电诊断的软隐形眼镜上的全打印可伸缩角膜传感器
6 可作为电子逻辑门的软、导电机械超材料
7 小型磁性软体机器人的设计、制造与应用
8 高比强度和耐高温轻质聚酰亚胺蜂窝结构的3D打印
半导体异质结的光响应是现代光电子的核心。光感应电流的一般先决条件是缺乏反转中心，无论它是通过以P-N结形式掺杂不均匀性外在定义的，还是由于晶体结构中反转对称性的破坏而定义的。在这方面，莫尔超晶格的结构非常适用于光响应的应用中，由于晶体的对称性可以由扭转角（容易地减小θ）诱导的原子尺度的重建。最小扭曲的双层石墨烯（mTBG，θ<0.1°）代表此类莫尔超晶格，其中扭曲的双层的晶格重构在能量传输上非常有利，并产生由窄畴壁网络分隔的AB/BA Bernal堆叠区域的交替三角形畴，每层AB亚晶格之间的原子配准通过畴壁平滑变化，在约10 nm的长度范围内极大地改变了局部电子性质。从光响应的角度来看，电子光谱中的那些急剧变化可以用作局部结，从而提供由莫尔超晶格产生的固有光敏区域。虽然这些畴壁网络已被证明强烈影响直流传输和光学性质对于mTBG，尚未对其光电子性质进行研究。
近日，西班牙巴塞罗那科技研究所ICFO光子科学研究所的Roshan Krishna Kumar教授和Frank H.L.Koppens教授采用纳米探针研究最小扭曲的双层石墨烯的单一摩尔单元格内的光响应。他们的云纹尺度分辨测量结果揭示了一个空间丰富的光响应，其符号和大小受摩尔纹晶格的精细结构及其相对于测量触点的方向的控制。这导致莫尔域内的栅极电压响应具有强烈的方向效应和明显的空间依赖性。所测量的光电流点对光热电感应响应的空间分布和载流子密度依赖性，并通过与数值模拟的良好一致性进一步得到证实。他们的工作表明，亚衍射光电流光谱法是揭示莫尔超晶格光电特性的出色工具，并可能促使人们对相关的莫尔超晶格（包括扭曲的过渡金属二卤化物）和小角度扭曲双层石墨烯进行进一步的近场光电流研究。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）
文章链接：Hesp, N.C.H., Torre, I., Barcons-Ruiz, D. et al. Nano-imaging photoresponse in a moiré unit cell of minimally twisted bilayer graphene. Nat Commun 12, 1640 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-21862-5
结构照明显微镜(SIM)是一种宽视场技术，在捕获图像的同时，一系列照明图案被生成并叠加到样本上，然后可以通过使用重建算法获得衍射极限之外的图像。是最强大和最通用的光学超分辨率技术之一。与其他超分辨率成像方法相比，它在高时间分辨率、低光子损伤的宽视场成像中显示出独特的优势，因此最近吸引了更多的关注。然而，与衍射极限相比，传统的SIM仅具有大约2倍的空间分辨率提高，这是这一有前途的技术的主要瓶颈。
近日，来自美国加州大学圣地亚哥分校的Yeon Ui Lee、Junxiang Zhao和Qian Ma等人提出并实验性地演示了一种易于实现、低成本的方法来扩展SIM的分辨率，称为散斑超材料辅助照明纳米技术（speckle-MAIN）。引入超材料结构，在近场产生具有改善的空间频率的类散斑亚衍射极限照明图案。这种模式类似于传统的模拟模式，然后被用来激发表面上的物体。他们证明speckle-MAIN可以将分辨率降低到40 nm及以上。该散斑成像技术代表了一种新的超分辨率技术，在生物成像和表面表征方面有着重要的应用。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：Yeon Ui Lee, Junxiang Zhao, Qian Ma et al. Metamaterial assisted illumination nanoscopy via random super-resolution speckles. Nature Communications (2021) 12:1559 https://doi.org/10.1038/s41467-021-21835-8
3 超表面时空动力学-非对称光子自旋轨道耦合
介导的矢量偏振光学混沌
人工微结构的超表面可以通过亚波长尺度的光-物质相互作用在空间上操纵光场，并在非线性光学和量子信息中的波前控制方面发现了巨大的应用价值。由于在时空上控制光波的特性，主动的超构表面引起了人们的极大关注。近来，通过引入光学频率的梳状光源，以无源配置展示了能够连续导光和时空重定向的频率梯度超构表面。这项开创性工作显然表明，利用入射光场的动力学特性，超构表面具有实现非平庸功能和奇特的光学时空现象的巨大潜力。 然而，目前仍然严重缺乏对超表面与时间相关的入射光之间的动力学相互作用的研究。
近日，来自加中国科学院光电技术研究所的Xiangang Luo研究小组通过从理论上将激光混沌动力学引入到超构表面的领域，研究了超构表面的时空动力学。研究者利用随时间变化的光学混沌动力学和超表面的局部空间调节能力。具体而言，通过全介电金属元素与垂直腔表面发射激光器发出的混沌偏振光之间的不对称光子自旋轨道相互作用，证明了一种光学时空动力学的现象，称为矢量偏振光学混沌（VPOC）。VPOC具有在空间上不均匀的极化分布，具有动态变化的空间结构和极化奇点，而相应的强度序列在时间上是混沌的，具有最大的Lyapunov指数正值和有限的相关维数。该研究结果为时空光学动力学的超表面发展开辟了一条途径，并可能在时空光控制，自由空间安全光通信和光学混沌集成芯片中找到令人兴奋的应用。相关研究发表在杂志《Physical Review Research》上。（刘乐）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.013215
利用断层超声和光声成像，使用超声传感器矩阵，可以在超声传感器没有机械运动的情况下重建二维(2D)或三维(3D)图像。这种矩阵或阵列是临床超声和商业临床前光声学的标准这些传感器矩阵也在最近的学术进展中得到应用，如高帧频成像和超分辨率成像。这种断层成像依赖于许多(约100-10000)个小(大约为声波波长的一半)超声波传感器的矩阵。然而，最先进的大块压电传感器有局限性。首先，检测极限(表示为噪声等效压力，NEP)与传感器尺寸成近似反比。特别是对于具有小声学波长的高分辨率成像，这强加了不期望的高压力检测极限，这将导致噪声图像。第二，压电传感器依靠其机械共振来增强信号幅度。它们通常在谐振频率附近的有限带宽内使用，因为检测极限过高。第三，压电传感器矩阵需要一根电线(例如，一根同轴电缆)来连接每个传感器元件或数字化电子设备 (包括专用集成电路)，这阻碍了导管的应用，并大大提高了高端传感器的成本。新的应用要求传感器具有高灵敏度、宽带检测、小尺寸和到细间距矩阵的可扩展性。
近日，来自比利时微电子研究中心的Wouter J. Westerveld和德国慕尼黑生物和医学成像研究所的Rami Shnaiderman等人展示了硅光子技术中的超声波传感器，由于创新的光学机械波导，该传感器具有极高的灵敏度。这种波导在两个可移动的部分之间有一个15 nm的微小空气间隙，这是他们使用新的CMOS兼容工艺制造的。在3–30 MHz的测量范围内，20 um小型传感器的噪声等效压力低于1.3 mPaHz-1/2，主要是声机械噪声。这比相同尺寸的压电元件要好两个数量级。所展示的具有片上光子多路复用器的传感器矩阵提供了小型化导管的前景，这种导管仅使用几根光纤来询问传感器矩阵，而不像压电传感器通常对每个元件使用电连接。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（詹若男）
文章链接：Wouter J. Westerveld et al. Sensitive, small, broadband and scalable optomechanical ultrasound sensor in silicon photonics. Nat. Photonics (2021).
https://doi.org/10.1038/s41566-021-00776-0
5 用于无创无痛眼电诊断的软隐形眼镜上的
全打印可伸缩角膜传感器
视网膜的电生理活动响应光刺激，称为视网膜电图(ERG)，在眼科检查中记录在角膜表面，以诊断或早期发现许多眼部疾病，如青光眼、视网膜色素变性、糖尿病视网膜病变、视网膜病变/脱落和其他先天性退化。测量ERG信号的方法是将记录电极直接接触(1)角膜表面或(2)球结膜，同时分别在耳垂和前额上放置接地电极和参考电极。目前测量ERG信号的标准方法包括使用接触镜型装置(例如ERG-Jet透镜)，以促进直接接触角膜表面，从而能够记录比结膜电极具有相对较高振幅的ERG信号。然而，这些设备由一个厚的、刚性的隐形眼镜组成，几何形状非最佳（特别是前突出的凸起和大的外曲率），导致眼角膜和眼睑不适。这种不适是不容易容忍的（尤其是那些合作能力不佳的儿童和成年人），因此这些患者通常需要全身麻醉或镇静。最新版本的隐形眼镜类型的设备(如BurianAllen隐形眼镜)包括一个内置的窥镜，以防止眨眼，因此，从从业者的角度来看，提高这些设备的安全性和易用性。然而，由于严重的不适，内置窥镜的庞大尺寸限制了它只能在镇静病人身上使用。因此，它的使用主要用于需要在数小时内长期记录ERG反应的罕见临床情况。此外，这些设备仍然很昂贵，因此，它们经常在不同的病人中重复使用多次。这种重复使用需要一个彻底的消毒过程，但从业者可能缺乏完全的信心，特别是在容易转移的病毒(例如:2019冠状病毒病(COVID-19)。
近日，来自美国普渡大学的Kyunghun Kim等人报告了一种设计的全打印可拉伸角膜传感器，它建立在商业上可用的一次性软隐形眼镜上，可以与人眼的角膜表面密切和无创地接触。角膜传感器通过电化学锚定机制以无缝的方式与软触点透镜集成，以确保其机械和化学可靠性。因此，由此产生的设备使高保真记录全场视网膜电图信号在人的眼睛，而不需要局部麻醉或窥镜 该装置在信号质量和舒适性方面优于临床标准，有望解决眼部电诊断领域未满足的临床需求。相关工作发表在《Nature communications》上。（郑江坡）
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21916-8
具有可重构电子功能的结构和材料兼容集成电路是人机界面、软机器人和其他未来将服务于医学、科学、工程和工业的电子技术的重要基础。这些柔性导体减轻了传统金属导体在受到机械应力时所遇到的失效问题。液态金属经常被用于兼容集成电路中，以实现液态金属基电路互连的高导电性和可逆自愈行为。结合导电微粒和聚合物衬底的两相材料在承受大应变时也能支持电功能，同时还能适应不同的制造实践。为了设计顺应集成电路的可重构基板，可编程机械变形通常是可逆形状变化的候选。例如，剪纸和折纸艺术激发了基板的灵感，这些基板可以折叠来定制电行为。弹性不稳定性也被考虑为响应机械和热应力的过渡电态。
电子网络的重新配置确实是数字逻辑的基础，它是现代计算机和人类大脑中信息处理不可或缺的部分。在人工材料中对基于逻辑的信息处理的探索，导致了机械超材料中的弹性波逻辑运算和光子超材料中的红外波逻辑运算产生的离散透射率输出的概念。软物质的逻辑函数也被模拟了高对比度比色输出的热致变色弹性体受到输入压力状态。
近日，来自美国宾夕法尼亚州立大学机械工程系的Charles El Helou等人介绍了一类具有可编程弹性不稳定性的软的、导电的机械超材料，它作为电子逻辑门，能够对机械应力输入组合进行数字计算。利用兼容基板和软导电材料网络的战略模式，在导电机械超材料中的可逆紧凑到部署的态转变。他们还演示了物理上可重构的超材料，它可以响应离散模式下的机械应力，导致兼容的导体网络的变化，以实现所有的数字逻辑功能和逻辑组件。相关工作发表在《Nature communications》上。（郑江坡）
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21920-y
用柔性材料代替刚性结构制造的新型机器人的出现，在机器人学和工程领域开辟了一个令人兴奋的领域。软体机器人技术涉及由高度变形的软材料组成的机器人的设计、制造、运动、控制和应用，类似于软生物。这些软机制可以减轻常规机器人在生物医学应用中存在的一些问题。实际上，与具有硬质材料的微型机器人相比，由于其结构灵活、适应性强、动作复杂、人机交互的安全性、生物相容性界面和多功能性，在医疗保健领域有着广阔的应用前景。尽管软体机器人在生物医学、体内外应用等方面显示出巨大的潜力，但软体机器人在小型化、运动效率、承载能力、越障能力等方面都面临着挑战，特别是在恶劣环境中的应用受到了很大的影响。此外，采用高效的驱动系统和开发简单的制造工艺也具有挑战性。因此，尽管过去对这些机器人的设计、制造和应用进行了广泛的研究，但该技术还有其他方面尚待发现。有几种类型的执行器结合到柔顺材料中，包括热、光、化学、压电、静电和磁性等，都具有一定的优点和局限性。磁性驱动器可以驱动和控制软体机器人，缓解上述一些限制。它们具有成本低、响应快、控制简单、输入功率低、非接触驱动等优点，可应用于空气、真空、液体等不同介质。
近日，加拿大卡尔顿大学和伊朗阿拉克大学Mehdi Eshaghi团队批判性地回顾有关磁性驱动的微纳软体机器人的文献。无约束磁控软体机器人在生物医学领域的应用得到了广泛的报道，这归功于其高效的运动步态、数字化制造技术和非接触磁激活技术。由于这些机器人的柔顺性和磁场对人体活体组织的无危害性，磁驱动软体机器人是一种很有前途的工具，可以进入人体的精细和狭窄区域，进行微创的疾病诊断和治疗。文章综述了磁性软体机器人的设计、制造、体内外应用等方面的研究进展，并突出了不同设计的优势和局限性。对理论分析以及文献中报道的实验研究进行了研究。研究了永磁体和不同类型的电磁铁（如成对线圈和分布线圈）在提供力和转矩驱动的致动中的应用。此外，还讨论了所施加磁场的强度和频率、材料和运动模式对软体机器人的速度、变形和性能的影响。回顾了磁性软体机器人在医疗保健方面的应用，例如治疗有效载荷的传递、细胞操纵、内窥镜检查和心血管疾病的治疗。最后，重点介绍了磁驱动软体机器人在制造和应用中的挑战。由于本研究对文献进行了批判性回顾，并附有描述性附录，包括最相关的磁驱动软体机器人和电磁铁的图像、简要描述和视频参考，因此可以将其视为研究人员在该领域进行进一步研究的基准。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。（徐锐）
文章链接：M. Eshaghi, M. Ghasemi, K. Khorshidi. Design, manufacturing and applications of small-scale magnetic soft robots[J]. Extreme Mechanics Letters, 2021.
https://doi.org/10.1016/j.eml.2021.101268
已经制备了具有高比刚度和强度的轻质聚合物复合材料，其具有多个周期性晶格，如蜂窝结构、气凝胶和海绵等。由于具有高度的结构设计自由度，3D聚合物打印技术（例如挤出、喷墨、激光定向熔合和立体光刻）已广泛用于轻型复合材料的工程设计。这些包括通过粉末床熔合工艺的热塑性塑料，通过立体光刻的光固化材料，以及通过直接喷墨书写（DIW）的油墨。然而，基于聚合物的轻质支柱的制造仅限于仅具有适当熔体粘度的热塑性聚合物、粘性剪切稀化的油墨和凝胶材料等。凝胶通常缺乏承受动态和结构组织负荷的强度。通常，对于具有有机支柱的3D打印轻质结构，抗压强度在0.15-70 MPa（ρ=400-800 kg·m-3）范围内变化。轻型结构通常用于要求更高强度重量比和较低密度的应用，例如在飞机、车辆和各种发动机部件中。3D打印技术以其优越的灵活性、个性化的设计和易操作性，在轻量聚合物结构中得到了广泛的应用。然而，具有高比强度和玻璃化温度（Tg）的轻质聚合物结构的合成仍然是遥不可及的目标，因为具有这些特性的3D打印聚合物在市场上仍然很少。
近日，吉林大学王大明和黑龙江省科学院石油化学研究院刘长威团队开发了一种简单、绿色、可持续的方法，利用水凝胶油墨3D打印技术制造了具有高压缩强度和Tg值的高性能聚酰亚胺支架。生成了具有前所未有的比强度和耐热性的复杂轻质聚酰亚胺。采用了3,3'，4,4'-联苯四甲酸二酐（BPDA）与水溶性对苯二胺（PDA）和三乙胺（TEA）的简单水聚合反应，可制备聚（AMI）铵盐（PAAS）水凝胶。这些PAAS溶液显示出明显的剪切稀化和热可逆性，以及高G′凝胶态模量，确保了凝胶态的自支撑特征和形状保真度。打印后热处理将PAAS前体转变为BPDA-PDA聚酰亚胺（UPILEX-S型）。结果表明，以三角形、正方形和六边形结构的形式，在轻质聚酰亚胺蜂窝上逐层沉积，具有可裁剪的机械强度、异常抗压强度与重量比（最高可达0.127 MPa (kg·m-3)-1）和显著的耐热性（Tg约380°C）。这些高性能的三维打印聚酰亚胺蜂窝和独特的一般结构合成技术在汽车和航天技术等领域都有潜在的应用前景。相关研究发表在《ACS Appl Mater Interfaces》上。（徐锐）
文章链接：
C. Wang, S. Ma, D. Li, et al. 3D Printing of Lightweight Polyimide Honeycombs with the High Specific Strength and Temperature Resistance[J]. ACS Appl Mater Interfaces, 2021.https://doi.org/10.1021/acsami.1c01992
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