超材料前沿研究一周精选2023年3月20日-2023年3月26日

索引：

1.拓扑绝缘体超构材料

2.耦合模式光子晶体器件中的增强型非线性光力学

3.基于声学超材料的有限贝塞尔声束横向粒子捕获

4.声学超构材料驱动用于急性疾病的快速和按需管理的经皮给药系统

5.基于材料差异实现声子晶体弹性波拓扑谷霍尔边界态

6.半导体异质界面上二维电子气的实空间观测

7.一种具有张力网格结构的新型能量耗散超材料

8.基于预应力双稳态壳的超高速形状可重构手性力学超构材料

光与物质的相互作用是若干光子技术的运作和进一步发展的基础。在亚波长尺度上周期性结构材料的超构材料范例，已被广泛用于实现高度受限的电磁场与局域或传播的准粒子之间的各种耦合机制。近年来，由于其电子能带结构的拓扑特性而产生的一类具有新的物质量子态的材料，即拓扑绝缘体、半金属和超导体，引起了人们越来越多的兴趣。这些材料的特点是在希尔伯特空间中存在由体波函数的非平凡拓扑所定义的无间隙边界或表面态。通过纳米结构，拓扑材料为纳米光子学与电子学和自旋电子学的结合提供了一个独特的平台。

近日，新加坡南洋理工大学Cesare Soci教授团队概述适用于实现人工结构-超构材料及其功能性的拓扑材料体系。首先讨论了2D和3D拓扑绝缘体、拓扑半金属和超导体的一般光电性质，重点讨论了与拓扑态相关的关键光学特征，这些特征体现在光学响应函数的色散上。然后将注意力集中在硫族拓扑绝缘体晶体上，这些晶体在超构材料演示中最常用。讨论了这种晶体在亚波长尺度下生长和结构的可能方法，包括纳米颗粒自组装和剥离晶体和薄膜的光刻图案化。进一步研究了拓扑绝缘体纳米结构的等离激元和介电特性，以及在拓扑绝缘体和外尔半金属中实现的光子超构材料在可见光到红外光谱的现有演示。最后，对人工构造的拓扑材料在双曲和手征拓扑等离激元学、非厄米光子学及其应用方面的可能发展提供了一些展望。相关研究发表在《Chemical Reviews》上。（徐锐）

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H. N. S. Krishnamoorthy, A. M. Dubrovkin, G. Adamo, et al. Topological Insulator Metamaterials[J]. Chem Rev, 2023.

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00594

腔光力学领域研究光场与机械振动之间的相互作用。一方面，光机械相互作用将机械运动印在光场上，实现了极其精确的光学位置检测，并刺激高精度传感器的发展。同时，光场可以用来操纵机械谐振腔，这使得在量子信息技术中使用的机械量子态的创建成为可能，可以作为信息存储或超导微波量子比特转换为光学量子比特的工具。但遗憾的是，这种相互作用通常是很弱的。

近日，荷兰埃因霍温理工大学的Ewold Verhagen教授团队演示了通过在光子晶体器件中使用光学和机械模式的耦合对来增强机械运动的非线性光力学测量。在同一器件中，作者展示了具有强烈降低输入功率的线性光机械测量，并揭示了这两种增强是如何相关的。该设计利用了各向异性的机械弹性，在力学模式之间产生强耦合，同时不改变光学性能。光学模式的额外热光调谐是通过辅助激光器和热优化器件设计进行的。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）

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https://doi.org/10.1038/s41467-023-37138-z

声波是经典波体系的一个重要的组成部分，其与物质的相互作用一直是研究的热点。当一个物体被放置在声场中时，由于散射、反射和吸收等物理效应会导致动量传递，该物体就会受到声场作用在其上的声辐射力。最近，对于非衍射声束的声辐射力研究预测了一种可以更灵活操纵粒子的方式。但是在实际的场景和应用中，非衍射声束（例如声学贝塞尔束）由于其较为复杂的横向结构，很难由有限的声源产生。为了精确地产生和控制所需的声场，往往需要使用更大尺寸的扬声器或者换能器阵列，这不仅大大增加了成本，并且增加了对阵列单元控制的复杂程度。声学超材料的出现，以其超常的物理性质，为操控声场提供了一种更加简单和低成本的方法。

近日，南京理工大学阚威威副教授团队与东南大学张辉教授团队以及洛林大学Assouar教授合作，提出了一种基于声学超材料的有限贝塞尔声束产生声辐射力的方法。该工作设计了一种可以使相位和振幅调制解耦的损耗型声学超材料，由该超材料产生的有限贝塞尔声束可以对轴上和轴外的微小粒子实现横向捕获，通过改变贝塞尔声束的傍轴参数β可以实现不同的横向捕获模式。此外该工作还定量研究了通过有限尺寸声源产生的贝塞尔声束的空间适用范围。该工作深入研究了一系列独特的横向捕获行为，这有利于进一步研究贝塞尔声束的声辐射力性质以及开发具有更多粒子操控模式的新型声学镊子。相关工作发表在《Physical Review Applied》上。（刘帅）

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Fan X, Zhu Y, Su Z, et al. Transverse Particle Trapping Using Finite Bessel Beams Based on Acoustic Metamaterials[J]. Physical Review Applied, 2023, 19(3): 034032.

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.034032

经皮给药是一种独特的给药途径，相关药物可穿过皮肤层，使足够量的药物到达更深层的下层组织或全身循环发挥作用。例如用于药物传递的透皮贴剂，该剂型以贴片的形式，将药物送入全身循环以产生全身效应。与口服给药和注射给药相比，经皮给药具有微创、操作无痛、患者依从性高、绕过胃肠或肝脏代谢等优点。然而，将经皮治疗应用于急性疾病的治疗仍存在一定困难，主要原因是经皮给药的治疗过程中往往无法及时施用治疗药物，并在短时间内精确调节药代动力学使得药物快速发挥作用从而延误了最佳治疗时机。

近日，来自美国印第安纳大学智能系统工程系的Feng Guo与加州大学洛杉矶分校、加州大学伯克利分校、哈佛大学、韩国成均馆大学、中国四川大学等知名院校（原论文挂名作者较多）合作，提出了一种利用声学超构材料驱动经皮给药，将声学超构材料集成在治疗贴片中用于快速和按需的急性疾病管理的办法，使得声学超构材料可用于药物的主动经皮运输并随着时间的推移精确控制给药剂量和速率。该治疗贴片由压电换能器和声学超材料组成，呈片状，具有周期性分布的尖锐超材料结构。装有治疗药物的超材料结构能穿透人体表皮。通过施加谐振射频信号，可在声学超构材料结构周围产生局域声场和声流，通过数字化调节射频信号参数，如功率密度和治疗时间，声学超材料贴片可实现给药剂量和速率可控，精确地将治疗药物释放到更深的皮肤组织中。研究者们设计了声学超构材料的结构和谐振频率，并对材料附近的声场与声流分布进行了模拟，验证了声流作为药物驱动力的可能性。并通过实验，在模拟动物组织的琼脂实验中验证了声学超构材料用于控制药物主动运输的可行性。最后，在小鼠活体实验中，作为概念验证应用，研究人员展示了集成治疗贴片可以通过多脉冲给药肾上腺素在雌性小鼠模型中逆转危及生命的急性过敏反应，显示出比固定剂量注射肾上腺素法这一目前的“可自我注射肾上腺素”策略的黄金标准更好的疗效。这种创新方法可能为个体化治疗急性疾病提供一种有前景的手段。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。(李治含)

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Xu, J., Cai, H., Wu, Z. et al. Acoustic metamaterials-driven transdermal drug delivery for rapid and on-demand management of acute disease. Nat Commun 14, 869 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36581-2

在过去的十年中，声子晶体和超材料因其控制声波或弹性波传播的能力引起了人们的关注，通过调整它们的结构参数可以实现独特的性能。而近年来拓扑绝缘体概念的引入，使得拓扑保护下声波的稳定传播成为可能。其中，谷霍尔效应也被引入声子晶体中，其通过打破空间反演对称性，可以通过打开声子晶体的原始狄拉克简并度来获得谷伪自旋。这种思路可以避免实时调制物性的复杂性，其中空间反演对称性的打破通常是通过改变声子晶体的结构参数来实现的。然而，对于基于谷霍尔效应的声学超材料，在许多应用情况下散射体之间的空间非常小，使得散射体尺寸和散射体间距的变化范围较为有限，这会对拓扑带隙以及拓扑边界态的频率范围大小带来显著影响。此外，典型的拓扑声子晶体设计中散射体和基质的大小是固定的，且结构不可分离，这使得基于声子晶体的拓扑波导只能实现固定的带宽，对边界态的频率范围变化带来限制。

近日，宁波大学的马廷锋教授课题组与俄罗斯科学院科特尔尼科夫无线电工程与电子研究所的Iren Kuznetsova教授和Ilya Nedospasov合作，将声子晶体的散射体设计成可拆卸的一组安装在衬底板上圆柱体中的灯笼环，当单位原胞内的两个灯笼环的材料不同时，有效空间反演对称性有望被打破，从而形成拓扑边界态，并且通过进一步利用调节材料的不同，可以实现基于不同频带拓扑边界态的波导。研究揭示了伴随材料参数的连续变化，贝利曲率和拓扑谷陈数的演化过程；捕捉到了改变材料引起的拓扑相变；阐明了利用材料参数的变化产生拓扑边界态的物理机制。这种基于材料差异拓扑边界态的实现，为实现弹性波的拓扑输运提供了一种新的有效方法，打破了仅基于结构参数变化的拓扑输运的局限，在弹性波操纵和通信领域具有良好的应用前景。相关工作发表在《Physical Review Applied》上。（刘梦洋）

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https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.034062

在半导体界面上形成的纳米级二维电子气体(2DEGs)通常具有较高的迁移率，常被用来实现超高频、超高速场效应晶体管。例如，N型金属氧化物半导体场效应晶体管就是基于在施加正栅极电压时在半导体和绝缘体界面形成的局域电子，通过调节界面上2DEGs来实现晶体管的开/关控制。另一种使用2DEGs的电子器件是高电子迁移率晶体管(HEMT)，在具有带隙差的半导体异质界面上可以自发形成2DEGs。这些器件的性能受到界面2DEGs分布的强烈影响，并且对异质界面中的局部结构异质性(包括成分、应变和附加缺陷)很敏感，因此对2DEGs的实空间可视化至关重要的。然而由于在异质界面上不可避免地形成强烈的衍射，此外扫描探针显微镜仅对标本表面区域敏感，并不适用于异质界面上的电荷分布的直接观测。

近日，日本东京大学Naoya Shibata等人通过差分相位对比扫描透射电子显微技术在GaN基半导体异质界面上实现纳米级电场成像。通过电场剖面以及纳米尺度空间分辨量化了2DEGs在异质界面上的密度和分布，在GaN/Al_0.81In_0.19N界面和GaN/Al_0.88In_0.12N界面上所观测到的电场分布与泊松模拟得到的解析解具有较高的一致性。除了GaN基半导体，所提出的方法同样适用于其他材料和器件界面2DEGs的表征。该工作有助于半导体器件中局部载流子密度和分布的实空间表征，将为进一步理解和改进基于2DEGs的器件性能提供技术支持。相关工作发表在《Nature Nanotechnology》上。（袁铭谦）

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S. Toyama, T. Seki, Y. Kanitani, et al. Real-space observation of a two-dimensional electron gas at semiconductor heterointerfaces. Nat. Nanotechnol. (2023).

https://doi.org/10.1038/s41565-023-01349-8

机械超材料的设计已经从简单的重复单元格结构发展到应用越来越复杂的几何形状。机械超材料的特性在很大程度上取决于单元格的形状和超材料结构内单元格之间的相互作用。设计机械超材料的过程中通常会在保证轻量化的同时，对单元结构进行优化，以增强特定的功能，如刚度、能量吸收率和形状变形能力。现阶段有赖于增材制造技术的发展，使得生产具有复杂构型的机械超材料成为可能。

近日，葡萄牙里斯本诺瓦大学Filipe A. Santos 团队开发了一种高度可调谐的能量耗散器。由张力结构组成的单元格可以在径向复制，所以这种耗散器具有运动放大能力。通过改变装置内单元格的数量、内部几何形状以及相应的锁定配置，对耗散器的运动学响应进行了分析，得到了几种变化模态。该团队已经制作出了一个具有很大可操作的3D打印试件，该轻量化试件表现出了出色的能量耗散能力和在复杂组件中的适用性。相关研究中所构建的数值模型已经证明了预应变对系统的整体刚度和耗散功能的重要性。通过应用相关的数值模型，该团队认为所设计的机械超材料可以作为更加复杂的结构的元件，如具有张力结构的周期性超材料。相关成果以‘Towards a novel energy dissipation metamaterial with tensegrity architecture’为题发表在《Advanced Materials》上。（孙嘉鹏）

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https://doi.org/10.1002/adma.202300639

对于能够适应多场景的智能材料/结构（如软体机器人、可展开太阳能阵列、防护装备等），在外界刺激下快速实现具有大变形幅度的形状重构至关重要。传统的形状重构策略通常基于集成刚性和柔性机构运动。这些机构通常需要额外的锁紧装置，额外的重量和复杂程度使形状维持在预期的工作状态。另一种新兴的形状重构策略是利用智能材料（如形状记忆合金、形状记忆聚合物等）。虽然智能材料可以有效地实现所需的形状重构，但需要持续的能量供应来维持所需的形状。此外，这些智能材料的过渡时间从几十秒到几分钟不等，无法满足日益增长的快速响应需求。现有的一些具有快速转换能力的特殊定制智能材料需要复杂的制造技术，并且仅限于1D构型，难以扩展到2D构型以获得更多功能，更不用说3D构型。作为一种新的先进材料和结构的设计范式，力学超构材料和超结构因具有前所未有的力学性能为设计新型形状可重构材料/结构开辟了新的途径。多稳态力学超构材料/超结构作为其中的一个重要分支，可以在不需要持续供能或过多锁定器件的情况下保持不同的形状，有效地节约能源和降低结构复杂度，因而引起了人们对形状可重构材料/结构的极大兴趣。然而，在大多数多稳态系统中，形状可重构性受限于变形的过渡时间和变形幅度，以及难以以兼容的方式实现自发的复杂形状重构过程。

近日，北京京航空航天大学陈玉丽教授、潘飞副教授团队提出了一类基于预应力双稳态金属壳的2D和3D手性力学超构材料。该超构材料由具有反手性排列的圆柱和细长的双稳态壳构成。该双稳态壳具有平坦的扩展形状和卷曲的形状，可以兼容地缠绕在相连的圆柱上，从而赋予超构材料可调的变形幅度，甚至可以扩展到无穷大。通过实验、仿真和理论建模，证明了双稳态壳可以以7.56 m·s^-1的过渡速度从扩展态转变为卷曲态，分别为2D和3D超构材料提供了每秒25.38倍和101.14倍的面积/体积变化。此外，基于超构材料实现了用于捕获运动物体的智能捕获器和具有可调带隙的声子结构。这项工作为设计具有超快、大幅值形状可重构的超构材料及其衍生系统提供了一个直接的平台。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）

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Y. Liu, F. Pan, F. Xiong, et al. Ultrafast Shape‐Reconfigurable Chiral Mechanical Metamaterial based on Prestressed Bistable Shells[J]. Advanced Functional Materials, 2023.

https://doi.org/10.1002/adfm.202300433

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