今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及腔介导的光机械纳米谐振器中的声子传热、单墨滴连续3D打印、超表面波导中声学自旋输运的实现等敬请期待！
索引：
1.超表面的杂化时空调制和几何相位
2.超表面波导中声学自旋输运的实现
3.腔介导的光机械纳米谐振器中的声子传热
4.纳米线硬X射线探测器中的热电子
5.多层各向异性超表面的透射型偏振转换器的系统设计
6.单墨滴连续3D打印
7.用于直接和内部3D打印的多孔笼状纳米材料油墨
8.3D打印可编程的张拉整体的软机器人
9.飞秒激光助力可编程“人工肌肉骨骼系统”
10.受折纸启发可编程多孔结构积木流量调节自适应坝
11.基于柔性微泡的Fabry-Pérot腔用于超声探测和宽视野光声成像
超表面的杂化时空调制和几何相位
在过去的十年中，人们已经深入研究了超构表面，超构表面具有通过超构“原子”的人工设计来控制反射波或折射波的复杂振幅和偏振的能力。超表面的最重要的物理机制之一是几何相位（GP），它定义为具有相反极化的入射场和散射场之间的相位差。GP仅与超构“原子”的取向有关，通常是不具备色散特性的。 通过调整GP的空间变化，我们可以控制场的动态变化，例如，根据广义斯涅尔定律任意弯曲折射或反射光，或产生光学涡旋和单向表面波。
同时，人们还提出了时空（PT）对称性并在光学领域进行了研究。作为非厄密物理学的概念，PT对称性要求折射率取复共轭，并且可以通过工程损耗和折射率的增益来有效地构造。在异常点（EPs）周围，PT对称性可以产生许多有趣的光学效果，例如单向无反射/不可见，单向激光，单向完美吸收和慢光。反PT对称性也吸引了很多研究兴趣。近日，来自南开大学的研究小组分析了几何相位与时空对称调制相位之间的相似性，并认为它们可以集成在纳米结构中。研究者提供了一个简单的杂化超构表面设计，以演示这些相在操纵光场衍射中的同时利用。还讨论了杂化相的极化敏感性。这项研究提供了一种在人造纳米结构中实现偏振相关的光学操纵的更先进的方法。相关研究发表在杂志《Optics Express》上。（刘乐）
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https://doi.org/10.1364/OE.404350
超表面波导中声学自旋输运的实现
从弹性波到光波，经典波的自旋角动量（SAM）本质上和他们局部的手性偏振场有关。很多常见的波前，例如，圆偏振的平面波，双波干涉，空间定向的高斯光束以及表面倏逝波，都展现出非零的自旋角动量。结合波的本身一些性质，SAM展现出一系列自旋相关的效应，例如自旋-霍尔效应（SHE），量子自旋霍尔效应（QSHE）以及双各向异性材料中的自旋锁定散射。同时，这些发现也产生了一些新的研究领域，例如手性量子光学。基于自旋的波器件的鲁棒性以及便捷调控性对波理论、实验以及器件的许多方面产生了重要影响。在过去，由于纵向波的无旋性，大量的研究集中于声学的轨道角动量而不是SAM。传统上，用标量压力场来表征声学波已经足够。因此，人们普遍认为无旋的纵波无法于横向的光学波圆偏振形式等效，所以声波没有SAM。最近，在将声学完全作为矢量速度场处理后，声学可以具有内禀的SAM的观点已经被理论和实验上证实。因此声学SAM可以自然地和声学速度场地偏振场联系起来。
近日，来自同济大学物理科学于工程学院Yang Long等人提出一种超表面波导，用于展示一些与自旋相关鲁棒性传输的SAM应用。这项工作的关键在通过超表面边界条件产生的非零声学SAM。从示意图中可以看出，SAM模式和传播方向（k）强烈地耦合，类似于在QSHE态中地自旋-动量锁定。由于这些性质，如果不翻转SAM，声学波导模式展示出背散射抑制传输特性，并且由于不同地SAM-动量依赖关系，在多通道情况下具有自旋选择性。这项工作将加深人们对波自旋物理学的理解以及为通过SAM自由度控制波提供新的见解。相关研究工作发表在《Nature Communication》上。（华金国）
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https://doi.org/10.1038/s41467-020-18599-y
腔介导的光机械纳米谐振器中的声子传热
能量传递和热通量在热力学中起着最重要的作用，在经典热力学的框架内，在宏观尺度上，我们已经很好地理解了这一点。然而，随着系统尺寸的减小，热或量子的涨落变得越来越重要。尽管在纳米、微米级和单原子水平的系统中研究热传递仍然很困难，但它已经在许多领域引起了人们对基础物理学和在各种先进的微观装置中的应用的浓厚兴趣。比如，在腔体光力学方面已经取得了一些显著成就:机械谐振器的基态冷却、超灵敏运动检测、光子和声子的不可逆控制等。由于其高度可控性，光机械系统已被提出作为一种用于非局部传热和热管理的新型机制，但是由于在光学腔内精确操纵光机械阵列方面存在技术挑战，因此尚未进行实验证明。
近日，来自华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室的Cheng Yang等人演示了通过腔增强的远程相互作用耦合的两个空间分离的纳米机械谐振器之间声子传热的不同机制，并对热和非平衡动力学的单一轨迹进行了实时监控。在强耦合状态下，瞬时热通量在非平衡稳态下自发地来回振荡。在这种温度梯度驱动的遥远平衡系统中，他们证明了非平衡稳态热通量精度的一般界限，即热力学不确定性关系。他们的研究结果为纳米机械振荡器的热传递提供了更多的见解，并为测试非平衡热力学的基本理论提供了参考。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
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Cheng Yang et al. Phonon heat transport in cavity-mediated optomechanical nanoresonators. Nature Communications (2020) 11:4656
https://doi.org/10.1038/s41467-020-18426-4
纳米线硬X射线探测器中的热电子
在过去二十年中，人们对半导体纳米线的光、电和机械等基本性能进行了详细研究，设想将半导体纳米线用作纳米光子和纳米电子器件的基础材料。因此，许多基于纳米线的设备都是基于p–n结原理，例如发光二极管（LED），太阳能电池和检测器。最近，有学者建立了低成本和高通量的轴向GaAs纳米线p–n结在航空光学领域的联系，证明了这种纳米线器件的工业生产的巨大潜力但是，技术应用要求不仅要具有成本效益，而且要对基本性能有深入的了解，还要保持设备的稳定性和可靠性。到目前为止，纳米级的装置依旧在长期稳定性和可靠性方面充满挑战。
近日，德国耶拿大学弗里德里希·席勒大学固体物理研究所的团队报道了一个轴向p-n结GaAs纳米线X射线探测器，与微米级的传统探测器相比，该探测器能够实现超高的空间分辨率（~200 nm）。基于聚焦同步加速器X射线纳米束操作中的X射线分析技术可以探测内部电场并观察纳米级的热电子效应。最后，该团队研究了器件的稳定性，并在p-n结的n掺杂段中发现了选择性热电子诱导的氧化。他们发现并证明了p-n结纳米线的功能和局限性，为进一步改进和最终集成到片上设备提供了见识。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）
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Zapf, M., Ritzer, M., Liborius, L. et al. Hot electrons in a nanowire hard X-ray detector. Nat Commun 11, 4729 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41467-020-18384-x.
多层各向异性超表面的透射型偏振转换器的系统设计
在从微波到光学的广泛应用中，操纵电磁波的极化状态的能力至关重要。微波频率下的常见应用涉及通信天线或微波设备，例如循环器和隔离器。几种光学设备也基于偏振表面。光的偏振的控制可以通过反射或透射偏振器来完成。仅反射型偏振转换器相对于透射型偏振转换器而言设计更简单，因为通过提供全反射的接地层来保证幅度控制。在透射型偏振转换器中，需要同时控制幅度和相位。在实际应用中，需要宽带性能和角度稳定性。在光频率下操纵光的状态的常规方法依赖于四分之一波片或半波片，其由晶体固体和液晶组成的双折射材料制成。然而，这些配置在尺寸，准直度和带宽方面的固有缺点阻止了它们的小型化和光学系统的集成。在微波区域中，一种用于将线性极化波转换成圆极化波的流行结构是基于所谓的Pierrot晶胞。Pierrot晶胞由垂直的四分之一波长段连接的两个正交单极子组成。谐振元件可以充当左旋圆极化（LHCP）或右旋圆极化（RHCP）选择表面。Pierrot单元的改进版本使用紧密间隔的螺旋。但是，这些设备的明显缺点是它们是需要先进制造技术的三维（3D）结构，这妨碍了它们在集成系统中的实现。
近日，来自意大利比萨大学的研究小组提出了一种简单而有效的合成传输型宽带极化转换器的方法。所提出的配置包括多层超构表面，该超构表面包括逐层旋转的共振粒子。粒子的逐渐旋转允许在大频带上进行偏振转换。通过处理各向异性阻抗层和电介质的级联的传输线模型方法，可以有效地设计和优化偏振结构。 研究者提出了一种基于逐渐旋转的偶极子谐振器的优化八层设计作为概念证明。 优化结构后，将通过高效传输线模型获得的结果与全波仿真进行比较，显示出令人满意的一致性。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）
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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.034049
单墨滴连续3D打印
增材制造或3D打印可以迅速地将计算机辅助设计转化为复杂的3D对象，且不需要使用常规制造所需的模具或光刻掩模，因此，3D打印已成为构建精细三维结构最有前途的方法之一。基于光固化的3D打印技术可以使三维模型在固化界面固化，在仿生、微流体、传感器和形状变形等领域有着广泛的应用前景。尽管在构造精细结构方面有效，但与熔融沉积建模相比，现有的数字光处理、立体光刻打印和体积增材制造技术的湿、净材料利用率低的缺点。在打印之前，需要在树脂槽内加入过量的树脂，这不仅增加了树脂成本，而且导致树脂浪费。另外，由于紫外光固化树脂是放热的，尤其是对于需要高紫外强度的高速打印，散热不足以满足连续打印的要求。固化和打印不稳定，分辨率降低；树脂在槽内以及固化固体表面粘附力和残留也限制了打印的分辨率，增加了成本。
近日，中国科学院化学研究所绿色印刷院重点实验室宋延林教授团队提出了一种单液滴3D打印策略，利用树脂液滴的三相接触线的收缩特性，由单个液滴制造可控3D结构。液体树脂对固化结构可控的去湿能力可最大程度地减少液体残留物，并在将液滴形成3D结构时，具有较高的湿、净材料利用率。此外，还可以防止在高速打印下因需要高紫外强度固化而产生的凸起或台阶侧壁。其中最关键的是，随着收缩三相接触线的引入，液滴系统的自由接触表面性能增加了内部液滴的液体循环，并降低了液态树脂、固化树脂和树脂槽之间的粘附性。相关研究发表在《Nature Communications》上。（徐锐）
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Zhang, Y., et al., Continuous 3D printing from one single droplet. Nature Communications, 2020. 11(1).https://doi.org/10.1038/s41467-020-18518-1
用于直接和内部3D打印的多孔笼状纳米材料油墨
三维（3D）打印技术已成为自底向顶制造高级功能超材料的支持平台，其结构涵盖了从金属、陶瓷到生物组织、器官的广泛的材料及其应用。在这些技术中，数字光处理（DLP）已成为一种通用选择，它可以打印聚合物或混合材料并可采用简单的商用视频投影仪。该技术利用数字显微设备（DMD）在平面中生成预编程的紫外线（UV）/蓝光形状，当与光敏树脂结合使用时，可以快速逐层构建宏观物体，其形状和分辨率低至微米级。为了进行基于光的3D打印，通常将纳米颗粒和纳米材料用作填充剂，并与聚合物粘合剂共混。但是，这些复合材料通常限于相对较低重量分数的活性填料。这反过来可能会限制纳米级成分的本征附加值。
近日，来自康奈尔大学材料科学与工程系的Tangi Aubert等人基于无机芯上的光敏配体（PLIC）设计开发出了一类功能性油墨。该方法是将超小（约10 nm）的二氧化硅纳米笼与数字光处理技术结合在一起，可直接3D打印具有任意形状、可调谐内部结构和高表面积的分层多孔部件。通过对通用和正交笼子的表面修改，他们展示了如何将该方法应用于整个3D打印对象以及功能的定位。此外，他们利用印刷零件的内部孔隙率，提出了一种内部打印方法，用于在主体基质内局部沉积客体材料，从而实现复杂的3D材料设计。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：
Tangi Aubert et al. Porous cage-derived nanomaterial inks for direct and internal three-dimensional printing. Nature Communications (2020) 11:4695
https://doi.org/10.1038/s41467-020-18495-5
3D打印可编程的张拉整体的软机器人
张拉整体结构通过刚性支柱和柔性肌腱网络的组合提供了结构的完整性和灵活性。这些结构展现出很多应用的特性:高刚度质量比，可控性，可靠性，结构灵活性。将智能材料集成到张拉整体结构中，将提供额外的功能，并可能改善现有的性能。然而，能够产生具有复杂三维(3D)形状的且适合于这种张拉结构的多材料部件的制造方法到目前很少有报道。此外，通过传统方法制造的张拉整体系统的结构复杂性通常受到限制，因为这些系统通常需要人工装配。
近期，韩国蔚山国立科技学院Hajun Lee等人报道了一种使用3D打印技术的方法来制造智能材料的张拉整体结构。该方法无需额外的后装配过程，就可以实现基于智能材料支撑的单片肌腱网络的张拉整体结构。通过打印具有协调软、刚性元素的张拉整体，研究人员可以使用设计参数(如几何、拓扑、密度、配位数和复杂性)来编写软结构的系统级力学程序。最后，研究人员通过利用具有磁性功能的智能肌腱和张拉整体结构的编程力学演示了一个能够向任何方向行走的张拉整体机器人和几个张拉整体执行器。利用可编程机械元件实现复杂张拉整体超材料的物理实现，为三维软机械的更多算法设计铺平了道路。相关研究工作发表在《Science Robotics》上。（丁雷）
文章链接：
Hajun Lee,et al, 3D-printed programmable tensegrity for soft robotics. Sci. Robot(2020). DOI: 10.1126/scirobotics.aay9024.
飞秒激光助力可编程“人工肌肉骨骼系统”
近年来，微型机器人取得了突破性的进展，在微手术、细胞操纵、药物运输和生物传感等尖端应用方面显示出巨大潜力。传统的微型机器人大多是由刚性材料(如金属、硅、二氧化硅)组成的机电一体化系统，因此其生物相容性、柔软性、柔韧性和生物降解性较差，限制了其在生物医学领域的应用。而软微型机器人的出现引起的科学家的极大兴趣。与硬体机器人系统不同，软微型机器人一般是基于低杨氏模量的智能材料，因此具有高柔韧性、生物相容性和对高负荷的机械弹性。此外，软微型机器人和微型电机可以由各种各样的外部刺激(如电、磁场、光、热、pH值、湿度和化学梯度)驱动，通过这些刺激，无需耦合额外的能源供应系统就可以实现自推进运动、可预测的变形和可控制的运动。然而，目前微纳米尺度的人工肌肉骨骼系统的发展仍然面临巨大的挑战，因为它需要精确地组装两种或两种以上不同性质的材料到复杂的三维微/纳米结构中去。
近日，吉林大学电子科学与工程学院孙洪波等人报道了通过飞秒激光加工技术来制造用于三维微型机器人原型设计的“人工肌肉骨骼系统”。实验中，使用相对坚硬的SU-8作为骨架，pH响应蛋白（牛血清白蛋白，BSA）作为智能肌肉。为了实现两种材料可编程集成到三维结构中，研究人员提出了一种连续的片上双光子聚合(TPP)策略，使两种光敏材料按照预先设计的结构顺序排列。此外，研究人员展示了一种能对pH响应的蜘蛛微机器人和一个能够控制抓取和释放的三维智能微抓手。更重要的是，该设计策略可与其它先进的微/纳米制造技术兼容，能对可伸缩和易于制造的任何层次结构进行加工，例如，软复制过程。与这种成本效益高、可扩展的技术相结合，将大大提高合成器件的制造效率和均匀性。可以相信，随着智能材料和先进加工技术的快速发展，后续的TPP制造将在多材料三维微机器人原型中得到广泛应用。该研究成果为直接打印由多种材料组成的3D微机器人提供了一种新的途径。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（丁雷）
文章链接：
Zhuo-Chen Ma et al, Femtosecond laser programmed artificial musculoskeletal systems, Nature Communications(2020).https://doi.org/10.1038/s41467-020-18117-0.
受折纸启发可编程多孔结构积木流量调节自适应坝
在过去的十年中，从对基本折纸原理的理解到折纸工程的多学科领域的出现，研究人员对亚洲艺术形式——折纸产生了浓厚的兴趣。在基础方面，研究的重点是几何力学、折叠运动学和先进的制造技术，以实现复杂的形状变化和重构等。在应用方面，研究重点是折纸结构的折叠以及与之相关的折叠引起的形状改变能力。由折纸产生的可调性彻底改变了无数可重构设备和系统的设计规模，为声学、超材料、机器人技术和体系结构提供了新功能。这些新发展的基础是源于一种新的建筑单元的折叠，通常包括由柔性铰链连接的刚性单元和这些可编程的建筑单元的组装。基于折纸结构材料具有前所未有的性能和先进的功能，已经在不同的尺度上得到了展示，但大多数原型只显示出单模态变形，并且需要外部场来触发重构。
近日，哈尔滨工业大学土木工程学院Zhiwei Zhang和华南理工大学土木与交通运输学院胡楠教授展示了一个简单且稳健的折纸设计策略，可以对折纸启发的单元进行编程，以实现流动下的多相自适应行为。在实验测试和数值模拟的指导下，定性地证明了小型折纸坝能够在没有人工输入的情况下，仅在流体动力作用下表现出多种适应行为。针对特定的流量调节结构，可通过改变基准单元的几何形状、密度、单元之间的空间布局、铰链特性和排列以及不同的边界条件来调整所提出的单胞结构的自适应行为。通过几何设计控制，可以在各种尺度上实现适应性，并可以集成到各种可重构的系统和设备上，以进行流量调节和管理。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。（徐锐）
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Zhang, Z., et al., Programmable origami-inspired cellular architected building blocks for flow-regulating adaptive weir. Extreme Mechanics Letters, 2020. 40.https://doi.org/10.1016/j.eml.2020.100974
基于柔性微泡的Fabry-Pérot腔用于超声探测和宽视野光声成像
当受到声波作用时，微气泡的气液界面会周期性地收缩和膨胀，如果发生空化，它会发出强烈的冲击波。由于微泡具有固有的柔韧性和水溶性，已被广泛应用于各种生物医学领域，包括超声成像造影、急性血管内血栓的无创治疗以及突破血脑屏障。特别是，由于激光焦点可以很容易地控制气泡产生的位置，因此在液浸固体表面激光加热产生的微气泡具有很强的生物学研究价值。在上述研究中，微气泡通常由外部声波或超声波驱动，并充当微尺度致动器或喷射器等主动机械元件。在水下通信和声纳、无损检测、生物医学超声/光声成像等诸多应用中，高度柔性微气泡作为被动元件用于水声探测的报道很少。近年来，可重构等离子体透镜和可调谐表面等离子体激元的光热产生微气泡已被研究。气泡直径取决于激光焦点处产生的局部热量，因此可以通过改变加热激光功率来精确调节。
最近，来自暨南大学大学和韩国延世大学（Yonsei University）的研究人员利用这种光热可调性，先通过加热功率的自动伺服控制，稳定了标准单模光纤（SMF）尖端的微气泡。稳定的微气泡和光纤端面形成了一个低精细度的Fabry-Pérot腔。SMF支撑的微气泡显示出其检测微弱声波的能力，但其频带宽度被限制在∼80khz，比无损检测或光声/超声成像至少窄1个数量级。此外，产生微气泡所需的加热功率为数十毫瓦，这可能会对生物细胞或组织等样品造成不利的热影响。为了解决上述问题，研究人员在微结构光纤（MOF）的端面上光热产生表面微气泡。MOF既是一种低损耗的波导管，又是一种紧凑的光电容器，它将加热光紧紧地聚焦在光纤端面。与之前采用的SMF相比，小焦点可以有效地产生微气泡，从而降低了激光加热功率。此外，MOF大大提高了直径小于10μm的微泡的光谱条纹对比度，使高达∼1mhz的高频超声波和短脉冲下红细胞的宽视野光声成像成为可能。文章以“Flexible microbubble-based Fabry–Pérot cavity for sensitive ultrasound detection and wide-view photoacoustic imaging”发表在Photonics Research上。（鲁强兵）
文章链接：
https://www.osapublishing.org/prj/abstract.cfm?uri=prj-8-10-1558
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