今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及通过散射介质实现高增益高速波前整形，亚5纳米尖端支撑的纳米光机械超表面GHz光声振动，机电多稳态折纸摩擦超构材料等，敬请期待！
索引：
1.通过散射介质实现高增益高速波前整形
2.亚5纳米尖端支撑的纳米光机械超表面GHz光声振动
3.连续运行中具有净增益和低噪声的非互易声电微波放大器
4.机电多稳态折纸摩擦超构材料
5.用于编程本构关系的剪纸超构材料：多向拉胀性和接触诱导刚度调制
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通过散射介质实现高增益高速波前整形
在复杂的光学散射介质中，如生物组织、多模光纤、云和雾，纳米级折射率不均匀性导致光学散射，扰乱入射光的波前。这种散射已经成为高效光传递和聚焦的主要障碍，阻碍了光学成像、操作、治疗和刺激超出光学扩散限制。新兴的波前整形(WFS)技术有望将光深度聚焦到复杂的散射介质中。通过调整入射到散射介质上的光学波前，WFS操纵多重散射光的干涉以使其重新聚焦。作为散射抑制的通用工具，理想的WFS方法应同时具有高系统速度、校正波前的高能量增益和高控制自由度（DOF）。为了满足速度要求，WFS必须在散斑相关时间内完成，该时间通常限制为1 ms或更小。能量增益被定义为校正波前的能量与检测到的散射波前的能量之比，并且它与波前调制系统的效率相关。高能量增益确保所产生的光焦斑具有尽可能多的能量以够应用。WFS系统的控制DOF决定了波前调制的精细度，从而决定了光学聚焦的保真度，这对于厚和高散射介质中的WFS尤为重要。到目前为止，波前整形技术主要分为三类：（1）基于反馈的WFS，（2）传输矩阵反演和（3）光学相位共轭或时间反演。前两种方法需要数千次的测量和波前更新才能找到一个令人满意的调制波前，这会带来耗时问题。对于使用数字微镜设备的方法，典型的运行时间在几秒钟，而基于液晶空间光调制器(SLMs)的方法则更长。
近日，加州理工学院光学成像实验室汪立宏教授团队报道了一种同时实现高速、高能量增益和高控制自由度的WFS技术。通过结合基于光折变晶体的模拟光学相位共轭和受激发射光放大，实现了接近单位的能量增益；即比传统的模拟光学相位共轭大三个数量级以上。大约106种控制模式下的响应时间约为~10 μs，对应于每个模式的平均模式时间约为0.01 ns，这比迄今为止一些最快的WFS系统快50多倍。研究人员预计，该技术将有助于突破光子学中的光学扩散极限，并将WFS技术转化为现实应用。相关研究工作发表在《Nature Photonics》上。（丁雷）
文章链接：
Zhongtao Cheng et al. High-gain and high-speed wavefront shaping through scattering media, Nature Photonics(2023).
https://doi.org/10.1038/s41566-022-01142-4.
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亚5纳米尖端支撑的纳米光机械超表面GHz光声振动
GHz纳米光机械系统的声学振动在光的全光操纵、机械模态的量子控制、片上数据处理和光机械传感等方面发挥着不可或缺的作用。然而，过高的光能、热能和机械能的损失严重限制了纳米光机械超表面的发展。
随着超材料制造技术的日益成熟，超结构纳米光机械系统(MNOMSs)得到了快速发展。超结构和超表面丰富的光调制能力为设计具有定制光机械性能和瞬态全光调制特性的纳米光机械系统提供了可能性。
近日，厦门大学的杨志林教授团队在一个亚5纳米尖端支撑的纳米光机械超表面上演示了高质量的5 GHz光声振动和超快的光机械全光操作。其物理原理是，采用< 5nm纳米尖端支撑的半悬浮超表面的设计，增强了进入超表面的光能输入，关闭了机械和热能输出损失通道，极大地提高了超表面的光机转换效率和振荡质量。多通道损耗半悬浮超表面的设计策略可以推广到片上处理的纳米光机械系统的性能改进中。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-36127-6
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连续运行中具有净增益和低噪声的非互易声电微波放大器
压电声学器件不仅可以与半导体系统集成，还可以利用本身的声电效应，实现诸如声学增益和隔离等功能，这些优势可以促进射频电子系统性能的进一步提升及系统小型化。然而，在微波频率下能连续运行的、能提供大的声学增益、低功耗和低噪声的声电放大器至今还没有被开发出来。
近日，美国桑迪亚国家实验室的Matt Eichenfield教授团队报道了一种非互易声电放大器，该放大器是基于由砷化铟镓、铌酸锂(LiNbO3)压电薄膜和硅衬底组成的三层异质结构。该异质结构增强了声子在压电薄膜中的约束，提供了一种高热导介质来去除散失的热量，并提供了低介电RF损耗。这种放大器可以对1 GHz声子连续产生28.0 dB的声增益（声噪声为2.0 dB的净射频增益），同时耗散40.5 mW的直流功率。相关工作发表在《Nature Electronics》上。（郑江坡）
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41928-022-00908-6
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机电多稳态折纸摩擦超构材料
力学超构材料可以克服天然材料通常必须面对的物理性质和力学性能之间的权衡挑战，如具有双稳态力-位移关系的折纸超构材料。折纸超构材料在很大程度上依赖于它们的折纸单元，通过合理设计折纸单元，可以诱导力学性能的良好可调性。研究人员通过设计折纸单元来获得具有理想结构、前所未有的力学性能（如负泊松比、负刚度）的折纸超构材料。近年来的研究方向已转向利用功能材料探索力学超构材料的功能性，如用于发电、能量吸收、储能的能量材料，用于热光伏响应、热机响应和热弹响应的热材料，用于电磁能量收集和吸收的磁性材料等。近年来先进功能材料（如自愈合材料、纳米材料等）的发展，将力学超构材料的非凡特性扩展到有前景的机电性能，这为机械功能超构材料的未来发展指明了方向。能量材料与结构材料在多尺度上的集成，机械功能超构材料有望实现良好的力学性能和良好的激发灵敏度，以及增强的电学性能，如高能转换效率，这为高效传感和能量收集打开了一个令人兴奋的场所。例如，摩擦超构材料在能量收集和存储领域已经成为一个很好的应用潜力。
近日，浙江大学焦鹏程团队通过设计具有折纸功能的管状超构材料中的摩擦电材料来开发折纸摩擦超构材料（OTMs）。OTMs将八边形、六边形和锥形折纸单元分别与八个和六个直单胞和六个弯曲单胞构成超构材料，以获得多稳态力学关系，并用于触发氟化乙烯丙烯(FEP)-铜、FEP-铝和FEP-纸的摩擦电对实现机电多稳态。当负载电阻为20 MΩ时，器件的开路电压、短路电流和转移电荷峰值分别为206.4 V、4.66 μA和0.38 μC，最大瞬时输出功率密度为0.96 μW/cm2。值得注意的是，八边形OTMs在电学主导区域的力-电压、力-电流和力-电荷关系之间表现出较高的相关性。OTMs利用折纸超构材料获得多稳态力-位移响应，作为摩擦电材料的有效刺激，从而实现速度和重量传感以及能量收集的可调机械电学性能。所提出的OTMs不仅为结构设计能量材料以实现理想的力电响应提供了一种策略，而且为机械功能超构材料在实际中的应用提供了指导。相关研究发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。（徐锐）
文章链接：
P. Jiao, H. Zhang, W. Li. Origami Tribo-Metamaterials with Mechanoelectrical Multistability[J]. ACS Appl Mater Interfaces, 2023.
https://doi.org/10.1021/acsami.2c16681
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用于编程本构关系的剪纸超构材料：多向拉胀性和接触诱导刚度调制
剪纸允许对薄板进行折叠和切割，以创建复杂的3D结构。剪纸和折纸可以被视为制造各种尺寸的可展开结构的模型，这些结构可以在没有任何复杂的关节或复杂的机电手段下改变形状。力学超构材料是当今的前沿研究领域，具有广泛的工程应用潜力。通过人工微结构实现的负泊松比拉胀超构材料因其在多种应用中增强的力学性能（如抗冲击、抗压痕能力、提高能量吸收、增加剪切刚度和断裂韧性、可变渗透率等）而受到越来越多的关注。对于给定的折纸的超结构，刚度随几何尺寸变化的变化是很好的探索。剪纸和折纸超构材料因其具有空间填充周期性、形状移不变性、多稳态、可拉伸性、刚度可调渐变、拉胀性等特性受到科学界越来越多的关注。基于多面体空间填充的可重构材料的多种设计策略已经被展示；然而，它们没有充分利用接触诱导刚度和拉胀性调制的宽范围，并且覆盖了可用设计空间的较小区域。
近日，印度理工学院Tanmoy Mukhopadhyay团队提出了一种剪纸启发的混合超构材料，具有可编程变形刚度和多向拉胀性。该超构材料可以从低刚度的阶段过渡到接触诱导阶段，从而使刚度大幅度提高。为了在2D和3D空间中增强可编程性，开发了多层镶嵌材料的均匀和分级结构来调节超结构的本构关系。所提出的超构材料将导致在抗冲击、形状变形、多向变形、振动和波传播控制等方面的极端轻量级功能设计，其中本征材料的能力可以得到最佳的利用。在本研究中，采用了解析和数值相结合的方法，在物理模型的基本变形行为的支持下，展示这种多功能行为。相关研究发表在《iScience》上。（徐锐）
文章链接：
A. Sinha, T. Mukhopadhyay. Kirigami-inspired metamaterials for programming constitutive laws: Mixed-mode multidirectional auxeticity and contact-induced stiffness modulation[J]. iScience, 2022, 25(12): 105656.
https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105656
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