今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及具有可控力传递路径的稳定性增强变刚度超构材料， 可重构、零能量、宽温度损耗辅助的热非互易超材料 等,敬请期待！
索引：
1 具有可控力传递路径的稳定性增强变刚度超构材料
2 尺度定制局域化及其在非厄米电路中的观测
3 受剪纸启发的具有可编程各向同性和正交各向异性热膨胀的三维超材料
4 可重构、零能量、宽温度损耗辅助的热非互易超材料
随着工程项目的要求越来越复杂，需要使用可变刚度材料来设计结构，以实现其预期功能。作为一类典型的可变刚度材料，超构材料通过主动改变材料的分布或微结构得到了广泛的发展。改变材料刚度的策略多种多样，包括使用热机械材料、机构和磁机械结构。然而，这些方法需要外部驱动系统或刺激场来诱导刚度变化。这使得超构材料变得笨重、依赖环境，并且难以在人体穿戴或极端环境等情况下使用。研究表明，利用自接触现象可以操纵微结构内的应力分布，进一步改变超构材料的刚度。因此，通过设计超构材料的特定单元微结构，开发出了自接触可变刚度（SVS）超构材料。SVS超构材料无需辅助系统或外部激励场即可实现可变刚度和快速调制。迄今为止，SVS超构材料已受到研究人员的极大关注，并被广泛应用于超结构中，以实现能量吸收、冲击隔离/阻尼和形状变形。此外，SVS超构材料在防护结构、变形飞机、先进机器人、医疗操纵、精密工程和信息处理等多个领域都有一些重要应用。
近日，北京理工大学万超教授和张凯教授团队提出了一种具有偏心单元设计的SVS超构材料/超结构设计范例，它既能实现稳定的刚度变化，又能实现高承载能力。理论、模拟和实验结果表明，SVS链超结构在低负载和高负载条件下实现了≈110倍的刚度变化。当超结构进入高刚度阶段时，其承载力可达1500 N以上。此外，稳定增强型SVS超构材料还展示了一些典型功能，包括为人体关节提供定制的机械保护，以及通过远程机械输入信号调节信息转换。这些研究结果可为生成更可行的稳定性增强SVS超构材料/超结构提供有用的解决方案，并促进其在航空航天、医疗设备和机器人领域的潜在应用。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）
文章链接：
J. Yi, R. Lyu, Y. Li, et al. Stability‐Enhanced Variable Stiffness Metamaterial with Controllable Force‐Transferring Path[J]. Advanced Functional Materials, 2024.
https://doi.org/10.1002/adfm.202413789
2 尺度定制局域化及其在非厄米电路中的观测
近年来，非厄米物理的研究激增，其揭示了许多超越传统厄米系统的现象。非厄米系统对边界条件表现出显著的敏感性，典型例子是非厄米趋肤效应（NHSE）。NHSE表现为大量本征态聚集在系统边界处，打破了传统的Bloch波行为，并且在周期性和开放性边界条件下展示出不同的能谱形状，由此打破了传统的体-边对应关系。除了趋肤效应之外，非厄米性与空间不均匀性（如畴壁、无序或杂质/缺陷）之间的相互作用为一般非厄米系统的局域化现象带来了更多的丰富性，包括杂质诱导的拓扑束缚态、非厄米准晶和无标度局域化，其中本征态集中于缺陷附近，而局域长度随整个系统大小进行缩放。趋肤态的局域化及显著的能谱敏感性已被应用于光漏斗、高精度传感器等创新功能中。然而，NHSE中本征态的整体局域化需要在整个系统中设计均匀分布的空间非厄米性，此外，它还限制了波动力学的可调节自由度，如本征态局域的长度、位置和比例等。此处的关键问题在于：在一般晶格系统中，我们能否以可控的方式精确设计波局域化？
近日，中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室的胡海平、陈澍和郑东宁教授课题组揭示了一种新型的本征态局域化现象，称为尺度定制局域化（STL）。不同于由点带隙导致的NHSE或由波干涉引起的安德森局域化，STL源于长程非对称耦合的存在，其产生了具有独特特征的局域模式：其数量和局域长度完全与耦合范围成比例。他们证明长程耦合可以通过在晶格上创建多个连接路径，从根本上重塑能谱和本征态。此外，他们利用可调电压跟随器和开关，在非厄米电路中对尺度定制局域化进行了实验观测。电路导纳谱在复能量平面上具有点状和环状的分量，分别对应趋肤模式和尺度定制局域态。从实际角度来看，STL无需在整个系统实现非厄米性的情况下就可以定制波局域化。与局部非厄米性诱导的无标度局域模式相比，尺度定制的局域模式在热力学极限下表现出较强的稳定性。该研究不仅扩展和加深了对非厄米性引发的奇异效应的理解，还提供了一个可行的实验平台用于探索和控制波的局域化现象。相关成果以“Scale-tailored localization and its observation in non-Hermitian electrical circuits”为题发表在期刊Nature Communications 上（张甜）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53434-8
3 受剪纸启发的具有可编程各向同性和正交各向异性热膨胀的三维超材料
大多数天然材料表现为正热膨胀，但在各种工程应用中，特别是在精密机械系统中，会造成严重的热变形。最近的研究表明，框架材料和机械超材料都具有精心设计的单元，可以提供不寻常的热膨胀性能，如负、超低、甚至零热膨胀。与具有复杂微观网络但可调整热膨胀系数（CTEs）范围有限的晶体和金属有机框架材料相比，具有周期性晶格结构的超材料在热刺激下可以在更大的范围内实现负或正热膨胀。然而，单胞拓扑的有限可用性，加上单胞的几何设计和双材料特性引起的高度非线性结构变形，不仅对可实现的CTE范围的大幅扩展造成了很大的障碍，而且对CTE上直接可编程性的明确理论模型的建立也造成了很大的障碍。此外，对于在规定方向上需要不同热响应的应用，由于难以在三维正交方向上实现不同的变形，用现有的设计方法实现正交各向异性热膨胀行为是一个很大的挑战。
近日，天津大学马家耀教授和陈焱教授团队，基于运动学设计策略提出的单自由度剪纸多面体，开发了一系列具有可编程负热膨胀（NTE）、正热膨胀（PTE）甚至超宽范围零热膨胀（ZTE）的三维各向同性和正交异性超材料。采用双材料带作为各向同性多面体的折痕，设计了热膨胀系数范围为- 2354.3至3006.7 ppm/°C的NTE和PTE超材料。同时，各向同性的ZTE超材料可以通过ZTE胞的均匀镶嵌或NTE和PTE细胞的混合镶嵌来构建。此外，通过在剪纸多面体的三个正交方向上允许不同的几何参数，同时保持运动学运动，还可以实现正交各向异性超材料，其中三个方向中的每一个都可以通过独立编程的NTE，ZTE或PTE分配。该研究为热膨胀超材料在空间光学系统、MEMS等领域的应用开辟了新途径。相关工作发表在《Advanced Materials》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202411232
4 可重构、零能量、宽温度损耗辅助的热非互易超材料
非互易性是指当过程发生在正向和反向时所观察到的不同反应。热非互易性对于芯片冷却、余热回收、高温热疗和节能材料设计等应用至关重要。实现热非互易性通常涉及具有非线性、平流、时空或梯度特性的超材料。尽管取得了这些进展，但仍有三大挑战阻碍了该技术的广泛应用。首先，梯度材料可以通过模拟平流产生稳定的整流输出，但其刚性结构缺乏各种实际应用所需的灵活性。其次，虽然受对流或时空调制影响的超材料可以有效地管理外力作用下的非互易热传递，但它们通常需要额外的能量，因此非常需要追求无能量的解决方案。最后，非线性材料，特别是形状记忆合金，在最大化单向热传导整流效果方面非常出色，但它们的有效性仅限于其相变点附近的温度，限制了它们的可用温度范围。解决这些挑战对于推进超材料科学和热工程发展非互易热设计至关重要。
近日，中国工程物理研究院须留钧研究员和复旦大学黄吉平教授团队，开发了一个系统框架，通过将浪费的热损失转化为有价值的调节工具，实现可重构、零能量和宽温度的热非互易性。由天然块状材料组成的垂直板通过自然对流使热损失不对称，破坏了热传导的反转对称性。该系统的可重构性源于通过调整热导率、尺寸、位置和板的数量来改变热损失的能力。此外，这种结构允许在广泛的温度谱上精确控制零能量热非互易性，仅利用环境温度梯度而无需额外的能量消耗。本研究提出了一种实现非互易性的不同方法，拓宽了热二极管和拓扑边界态等非互易器件的潜力，并激发了其他基于损耗的系统中对非互易性的进一步探索。相关工作发表在《PNAS》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2410041121
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