今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及深度学习赋能的热学超材料智能设计、静态机械超材料中的非厄米拓扑、力学超构材料综述敬请期待！
索引：
1、用于声波调控的全局面密度保持可调的磁-机械双层超构材料
2、力学超构材料综述
3、深度学习赋能的热学超材料智能设计
4、静态机械超材料中的非厄米拓扑
1.用于声波调控的全局面密度保持可调的磁-机械双层超构材料
2D超构材料由于其独特的性质和对弯曲基底的适应能力，在声学、光学和电磁应用方面具有巨大的潜力。主动超构材料因其可通过形状重构实现的按需可调的特性和性能而引起了广泛的研究关注。2D主动超构材料往往通过内部结构变形来实现主动特性，从而导致整体尺寸的变化。这需要对符合要求的基底进行相应的改变，或者超构材料不能提供完整的面积覆盖，这对于它们的实际应用来说是一个很大的限制。迄今为止，实现具有不同形状重构的面积保持主动2D超构材料仍然是一个突出的挑战。
近日，美国斯坦福大学赵芮可教授团队提出了一种新的2D超构材料设计策略，通过一种新颖的双层概念，可以在保持整体面积的同时显著改变面积密度。这种2D超构材料是由硬磁软活性材料制成，其具有嵌入硬磁颗粒的软弹性体基体。该材料可以通过远程施加的磁场提供非系留、快速和可逆的驱动。2D超构材料的正方形单胞被设计为具有预编程的磁化强度分布，可以在外部磁场下引起面密度变化的收缩。将两个阵列按照特定的排列方式进行叠加时，由于磁吸力的作用，它们形成了具有强界面粘附性的一体化材料。在外磁场作用下，只有一层显著收缩，提供了面密度的变化；另一个保持了2D超构材料的整体尺寸，这个过程在单层设置中无法获得。此外，单独的层驱动增加了独特的形状重构的数量来调节声学特性。基于这一概念，文中展示了具有不同组装策略的双层超构材料设计，包括翻转策略、分布式贴片和偏移策略。相应的波调控性能，带隙和波导，也被探索。对翻转排列双层膜的参数化研究探索了如何通过编程改变双层膜的材料组成和层厚比来调节声学带隙。双层超构材料在保持总尺寸不变的情况下极大地改变其面积密度的能力，从而为设计用于实际应用的高度可调的保面积共形声学调节器提供了一种新的策略。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）
文章链接：
SIM J, WU S, DAI J, ZHAO R R. Magneto-Mechanical Bilayer Metamaterial with Global Area-Preserving Density Tunability for Acoustic Wave Regulation[J]. Adv Mater, 2023: e2303541. https://doi.org/10.1002/adma.202303541
2.力学超构材料综述
几个世纪以来，技术进步一直是由处理、加工和应用新材料的新能力所推动的。材料对人类文明的影响是深远的，以材料命名人类的时代（如石器时代、青铜时代、铁器时代等），那么接下来是不是可能是“超构材料时代”？所有材料的性质都主要来源于材料所组成的原子。力学性能（如强度）也依赖于原子的排列方式（如结晶度、缺陷、晶界等）。由人工原子或结构单元组成的超构材料，表现出出普通原子所不具备的力学、光学或热学等特性。超构材料的概念约在20年前被提出，随后在理论和实验进展的推动下，人们对超构材料的兴趣激增。而力学超构材料仅在大约10年前开始的，其目标是弹性行为和有效的力学性能超过其单独成分的-定性和/或定量。由于计算科学和制造技术的进步，该领域在过去的十年中取得了长足的发展。
近日，英国帝国理工学院Richard Craster团队回顾了力学超构材料的数学基础，并总结了概念性和实验性的最新情况。这个总结包括无序的、周期性的、准周期性的和分级各向异性的功能结构，在一、二、三维空间中，涵盖了从1微米以下到几十米的长度尺度。针对两个关键科学问题：如何精确地从数学上把握“力学性质”的概念、超构材料的结构和性能之间的联系。文中，给出了关于同质介质的线性弹性特性的有效介质描述的介绍性指南。然后讨论了第二个关键问题，这种联系有两个方向，再次强调了线性弹性特性。接着是关于超构材料的实验。概述了在有效均匀的力学超构材料方面所取得的成就，从微米尺度到宏观尺度。还讨论了由梯度超构材料分布组成的结构，重点讨论了利用坐标变换设计的结构。最后总结全文，得出结论。相关研究发表在《Reports on Progress in Physics》上。（徐锐）
文章链接：
CRASTER R V, GUENNEAU S R, MUAMER K, WEGENER M. Mechanical metamaterials[J]. Rep Prog Phys, 2023. https://doi.org/10.1088/1361-6633/ace069
3.深度学习赋能的热学超材料智能设计
热学超材料可以操纵、控制和处理热流，从而实现热隐身、热集中、热伪装、热旋转等应用。传统的热学超材料由于其精细的分析解决方案和易于实现的有效结构，主要设计成具有易于处理的规则几何形状。然而，实现具有任意几何形状的热学超材料是一项挑战，更不用说热学超材料的智能设计（自动、实时和可定制）了。
近日，华中科技大学的高亮教授和肖蜜教授团队联合新加坡国立大学仇成伟教授，针对上述挑战，通过预先训练的深度学习模型，提出了深度学习赋能的热学超材料拓扑优化设计方法，实现了自由形状热学超材料的智能设计。该方法将拓扑功能单胞概率表示在隐空间，根据热学超材料的定制功能需求，可自动、实时地生成具有目标热传导张量的拓扑功能单胞，进而快速生成热学超材料。基于上述思路，研究团队设计了多种具有自由形状、背景温度独立、全方向功能的热隐身超材料，并通过数值仿真和热学实验验证了其良好的热隐身效果。这项研究工作为热学超材料的智能设计提供了全新思路，可灵活实现不同背景材料、自由形状和不同热功能的热学超材料的快速设计，解决了传统热学超材料设计中大规模有限元计算与反复优化迭代所带来的计算效率低的难题，进一步推动了热学超材料在航空航天、电子等领域的工程应用。相关工作发表在《Advanced Materials》上。（刘帅）
文章链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202302387
4.静态机械超材料中的非厄米拓扑
非厄米性适用于描述与环境之间存在能量交换的非平衡或开放动态系统。光学实验的进步显著地刺激了非厄米物理学的发展，其中光波的动态演化可以由非厄米哈密顿量来表征，并已经扩展到了其他具有可控增益/损耗效应的物理系统。非厄米性和拓扑能带理论的结合不仅丰富了传统的基于本征态的能带拓扑，而且还带来了一类由能谱绕组表征的新颖拓扑相，随之产生了有趣的非厄米趋肤效应。打破互易性是形成非厄米趋肤效应的重要条件，互易性是许多物理领域的基本原则，例如具有时间反演对称性保护的二维拓扑绝缘体中的螺旋边界态和电磁学中的洛伦兹互易性。机械系统中的互易性具有双重含义：一是源自牛顿第三定律，二是所谓的Maxwell-Betti 互易性。后者对于涉及扰动和响应之间对称性的线性系统来说是独特的，一般可以通过系统参数的有源调制来打破，从而不可避免地涉及到能量的交换。
近日，清华大学的陈常青教授课题组通过探索机械超材料系统中的静态变形证明了其非厄米拓扑。其中，非互易性是通过晶格配置的无源调制来引入，而不需要有源控制和能量增益/损耗。一些有趣的非厄米物理现象可以在此无源系统中被观察到，例如互易趋肤效应和高阶趋肤效应。此研究为探索传统波动力学之外的非厄米和非互易现象提供了一个易于实现的平台。相关工作发表在《Science Advances》上。（张甜）
文章链接：
Wang A, Meng Z, Chen C Q. Non-Hermitian topology in static mechanical metamaterials. Science Advances, 2023, 9(27): eadf7299.
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