超材料前沿研究”一周精选 2019年5月20日-5月24日

1、设计声学超光栅的整数奇偶性实现透射和反射反转（Reversal of transmission and reflection based on acoustic metagratings with integer parity design）——超光栅单元数量的奇偶性转变导致其中传播数的奇偶性转变，从而引起特定阶衍射的透射和反射的反转。

随意调控波传播的能力，吸引了大量科学家投入研究。在过去几年中，作为体块超材料的二维版本，超表面提供了新的范例，以先前不可能的方式引导波，观察到了与相应三维超材料明显不同的新物理现象。通过沿着超曲面设计相移，可以调控被散射的波前来实现反常的反射或折射，然而，最近一些研究表明，由于边界处的阻抗失配，这种相位梯度超表面（phase gradient metasurface）在波前调控的转换效率方面受到固有限制。在某些情况下，虽然可以清楚地观察到由周期性引起的更高阶衍射，但是原理机制仍然未被完全理解，尤其是在折射型超光栅中。近期，来自苏州大学和杜克大学的研究团队通过分析和实验展示了一种折射型相位梯度超光栅（phase gradient metagratings, PGMs），它可以实现异常反射和折射，并且在很宽的入射范围内几乎具有一样的效率。研究受到多次反射效应的启发，发现衍射阶数与多次反射的传播数（即波在PGM内传播的次数）和PGM的单位单元数m有关。特别地，特定衍射阶数的透射和反射振幅由传播数的整数奇偶性决定。因此，可以通过控制PGM中的单位单元的数量的奇偶性来实现对，某一阶衍射的透射和反射的调控。基于所证实的衍射机制，研究团队推导出一组新的公式，可以很好地解释所研究的PGM的复杂衍射现象，并且可以完全预测奇偶性依赖的异常反射和折射。这一衍射机制中也可以很好地解释之前工作中令人费解的衍射现象。声波的实验测量结果证实了我们的发现。此外，实验基于该原理使用锯齿形微结构设计并制作了两种折射声学超光栅，实验结果很好地验证了该理论。该工作提出的衍射机制可以成为声学/电磁PGM设计的新范例，并基于可提供的通用平台开辟新的波动操纵能力，例如非对称和广角吸收器、全向反射器等。相关研究发表在近期的《Nature Communications》杂志上。

文章链接：Yangyang Fu, Chen Shen, Yanyan Cao, et al. Reversal of transmission and reflection based on acoustic metagratings with integer parity design, Nature Communications 10: 2326 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-10377-9

2、基于有源放大器的空间能量数字编码超构表面

超构表面是由亚波长元件组成的人工平面结构，它可以在表面边界上提供透射，反射和散射波振幅和相位上的变化，通过操纵振幅和相位的响应，超构表面可以通过不同的方式来调制电磁波，实现诸如完美吸收器，超越衍射极限成像，探测器等新奇应用，最近, 提出了一种数字编码超构表面的概念, 将数字表征图应引入元曲面, 并通过数字描述编码 "0" 和 "1" 描述单元, 表示相反的相位响应. 基于这一概念,在超构表面设计中进行了数字信号处理和信息论等方面的研究。

超构表面由于其对电磁波操作的优异性能, 引起了广泛的热情。然而, 大多数以前的超构表面, 包括被动和主动的超构表面, 在控制电磁波的时候几乎是能量损失。提出的一些放大的超构表面, 但对放大功能是不可控制的。来自复旦大学的Yi Liu团队提出了一种带有源放大器的空间能量数字编码超构表面, 以实现空间传播波能量的任意编辑，提高了超构表面的可调谐性。在提出的超构表面的基础上, 线性偏振传播波的空间能量不仅可以放大, 还可以通过控制电压的方法编辑成任意大小 (包括放大和缩小)。设计了一种与放大器芯片集成的超构表面元件, 用于微波频率范围内的能量插电调制。数值模拟和实验结果表明设计具有良好的一致性, 验证了可行性。这项工作可以为使用数字编码超构表面进行功率调制铺平道路, 在微波成像、检测和其他应用方面可能具有潜力。相关文章发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接：

https://journals.aps.org/prapplied/pdf/10.1103/PhysRevApplied.11.054051

3、基于优化的压缩屈曲带状三维结构的逆向设计

随着近年来制造技术的快速发展, 具有可控形状和尺寸的先进材料的三维微观结构和纳米结构引起了人们的广泛兴趣,功能材料可以开发工程系统中的许多新应用, 如微机电和纳米机电系统 (MEMS 和 NEMS)、生物医学工具存储设备、高性能电子和光电子以及超构材料，由于与平面制造技术的良好兼容性以及对各种材料类型（从半导体到金属和电介质）和尺度（从纳米到厘米）的广泛适用性，通过压缩弯曲机械驱动的三维（3D）带状结构组装代表了日益受到关注的领域。作为3D几何形状的代表性类别，已广泛研究了丝状3D带状构造的组装，以分析变形特征或探索各种功能装置中的应用。以前的研究主要集中在“前向问题”的建模上，该“前向问题”能够预测规定的2D前驱体的组装3D带状结构。开发一种有效的方法来解决将目标3D几何图形映射到未知的2D前体设计上的“逆问题”仍然是一个挑战。

在自适应遗传算法优化的框架下，来自清华大学的Yihui Zhang提出了一种系统的计算方法来解决通过压缩屈曲组装的带状三维结构的逆向设计问题。通过对变形和初始带状结构之间固有几何关系的理论分析，建立了基于优化的逆向设计问题公式，借助有限元分析确定2D前驱体的初始几何形状。通过一组说明性示例验证所开发方法的收敛性和准确性。对大约20个带状结构的计算和实验研究，每个带状结构在目标和组装配置之间进行比较，显示了逆向设计方法的广泛适用性，展示出类似于真实物体草图（例如，尖顶帽子，蝴蝶和青蛙）的3D结构的能力表明在功能设备的精确设计中有希望的实用性。相关文章发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接：

https://journals.aps.org/prapplied/pdf/10.1103/PhysRevApplied.11.054053

4、用于能量吸收的可重复使用的可编程颗粒超材料

能够吸收能量的材料在生活中有着很重要的应用。一个材料吸收能量的能力可以通过外力加载-卸载过程中力-位移曲线包围的面积体现，也就是所谓的滞回曲线。传统的用于能量吸收的材料一般是利用材料的塑性变形或者断裂来吸收能量。这种方式有一个很大的弊端，因为其吸收能量的过程是破坏性的，所以材料使用过一次后就被破坏无法继续使用。可重复使用的材料一般都是力学超材料。通过对力学超材料结构的设计，利用屈曲导致的双稳态和多稳态，可以实现可重复利用的能量吸收材料。

近日，来自清华大学和加州大学洛杉矶分校的研究小组提出了一种新的用于能量吸收的可重复使用的力学超构材料设计方法，这种力学超构材料集成了固体颗粒和可拉伸部件。在每个单元中，固体颗粒被可拉伸部件捆绑在一起，固体颗粒间的摩擦增加了单元的稳态数，所以单元存在着双稳态或者是多稳态，在施加外力的时候，单元从一个稳定状态变化为另一个稳定状态，在这个过程中可拉伸部分发生弹性变形，而其中的固体颗粒则会相对彼此滑动。外界的能量有一部分被储存为弹性应变能，另一部分变成摩擦热耗散，从而实现了能量吸收的目的。在整个形变过程中，材料的结构没有发生不可逆的破坏，所以整个能量吸收过程是可重复的。研究小组对单元的能量吸收性能分别进行了理论计算和实验，结果符合的很好。同时，超材料带来的结构设计自由度可以设计单元中可拉伸部件的预应力、刚度或者固体颗粒的尺寸和摩擦力，从而来实现不同的力-位移曲线，控制变形发生的位置和顺序，从而实现不同的能量吸收的能力。研究小组还进行了冲击试验，把变形前和变形后的超材料放在玻璃板上，在同样冲击下，未变形的超材料能够保护玻璃无损，而变形后的超材料的玻璃发生了碎裂，说明该超材料有着良好的能量吸收作用。最后，研究小组用同样的设计思想设计了其他两种不同的单元，同样发现其有着很好的能量吸收能力。在文章的最后，研究小组指出，当这种力学超材料可以通过微纳3D打印的方式实现时，因为固体颗粒比表面积的增大，所以这种超材料有着更好的能量吸收能力。

文章链接：Kangjia Fu, Zhihua Zhao,* and Lihua Jin*，Programmable Granular Metamaterials for Reusable Energy Absorption，Adv. Funct. Mater. 2019, 1901258

5、超越贝壳:生物启发的二维光子和光电设备

人们在向大自然的学习过程中设计制造出了许多具有特殊结构的新材料，如纳米光子材料。例如受瓶子草的启发，设计了超快集水和传输微通道结构；受猪笼草的启发，科研人员发明了具有自我修复功能的光滑表面；受生物酶的启发，研发了用于提高能量转换效率的催化材等等。最近，一些贝壳如珍珠贝，贻贝，因其内部表面呈现出非常美丽的彩虹颜色，吸引了越来越多科研人员的关注。例如，由交替的薄文石板和生物聚合物组成的珍珠层，通过在纳米尺度上模仿分层的砖与砂浆结构，启发了人们从强度较低的原材料(如羟基磷灰石和碳酸钙)中设计出坚固、柔韧并且具有自我修复功能的材料。不幸的是，通常采用高温或高压矿化工艺来制造该纳米结构材料，从而使得这类材料大规模生产成为一个巨大的挑战。

近日，澳大利亚昆士兰理工大学Ziqi Sun等人受到贝壳内部表面具有独特的光学特性启发，设计制备了一种新型的纳米光子结构材料，该纳米结构是通过一种简便的真空溅射技术制备。通过与射入水中的太阳光相互作用，这些贝壳会产生发光的团簇，用来捕食具有趋光性的生物。通过交替沉积石墨烯和二维超薄二氧化钛纳米薄片，形成二维异质结构和均质结构，这种结构无论是在色散主导的条件下还是在反射主导的条件下，均表现出显著的红绿色条纹，成功制备了参数可调控的二维纳米光子结构。该结构具有特殊的层间电荷转移特性和超快的平面内电子迁移率，同时具备非常好的光学特性以及作为光电极时显著增强的光响应行为。该研究为新型二维光子结构和器件的制备开辟了一条新的途径，也为高性能太阳能转换光电电极的设计奠定了基础。相关研究工作发表在《Advanced Functional Materials》上。

文章链接：Ziqi Sun, Ting Liao et al, Wenxian Li. Beyond Seashells: Bioinspired 2D Photonic and Photoelectronic Devices.Advanced Functional Materials. 2019, 1901460.

DOI: 10.1002/adfm.201901460.

6、Science：辐射冷却结构材料——冷却木材

加热和冷却是能源消耗的重要部分，减少人类对低能耗冷却方法（如空调）的依赖将对全球能源格局产生巨大影响。一般来说，由于热力学第二定律，冷却比加热更具挑战性。被动辐射冷却提供了一种路径——通过大气透明窗口将热量从特定结构散发到超冷宇宙中而没有能量消耗。根据材料固有的热发射特性，人们已对有色涂料、介电涂层、金属化聚合物薄膜甚至有机气体进行了夜间辐射冷却研究。白天辐射冷却更具挑战性，因为天然高红外发射材料也倾向于吸收可见波长。尽管现在有先进的技术可以精确设计纳米结构或混合光学超材料来调节材料光谱响应以进行连续冷却，但是，对于建造所需的尺寸和规模，制造和应用这些结构仍然是一大挑战。

木材已经使用了数千年，由于其经济和环境优势，木材已经成为一种重要的可持续建筑材料，有可能取代钢铁和混凝土。近日，马里兰大学帕克分校胡良兵教授与科罗拉多大学博尔德分校尹晓波教授、杨荣贵教授联合开发了一种由木材组成的多功能无源辐射冷却材料。由于纤维素纤维的低光学损失和材料的无序光子结构，冷却木材表现出优异的白度，可在白天和夜晚持续低温冷却。具体的，他们对木材进行了完全脱木质素处理，然后进行机械压制，得到了具有白天低温冷却效果的结构材料。扫描电镜(SEM)下，木材呈现多尺度的纤维素纤维或纤维束。冷却木材由部分排列在树木生长方向的纤维素纳米纤维组成，这些纤维在可见光范围内不吸收。多尺度纤维和通道作为随机和无序的散射元件，在所有可见波长处都具有强宽带反射。同时，冷却木材中纤维素的分子振动和拉伸有利于增强红外辐射。冷却木材在红外范围内释放的能量超过了接收到的太阳能，从而在白天和夜晚都能进行被动低温辐射冷却。他们对暴露在空气中的天然木材和冷却木材样品进行实时温度测量，证实了这种冷却效果。此外，脱木质素和机械压制后，冷却木材的强度是天然木材的8.7倍，韧性是天然木材的10.1倍。这种多功能、可扩展的冷木材料为未来的节能和可持续建筑应用带来了希望，能够大幅减少碳排放和能源消耗。相关工作发表在《Science》期刊上。

文章链接：A radiative cooling structural material,Tian Li, Yao Zhai, Shuaiming He, Wentao Gan, Zhiyuan Wei, Mohammad Heidarinejad, Daniel Dalgo, Ruiyu Mi, Xinpeng Zhao, Jianwei Song, Jiaqi Dai, Chaoji Chen, Ablimit Aili, Azhar Vellore, Ashlie Martini, Ronggui Yang, Jelena Srebric, Xiaobo Yin, Liangbing Hu. Sciencee 364, 760–763 (2019). 

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精彩回顾  

1.超材料前沿研究”一周精选 2019年5月6日-5月10日

2.超材料前沿研究”一周精选 2019年5月13日-5月19日

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