超材料前沿研究”一周精选 2019年4月22日-4月28日- 大数跨境

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超材料前沿研究”一周精选 2019年4月22日-4月28日

两江科技评论

2019-04-28

导读：今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及超净石墨烯、基于时空调制的级联谐振器中的非对称声学传输、三维复合纳米结构制造的离子束蚀刻—再沉积技术、三维打印具有热适应可调谐的力学拉胀超材料、

今天我们继续为大家带来近期的超材料前沿研究精选，内容涉及超净石墨烯、基于时空调制的级联谐振器中的非对称声学传输、三维复合纳米结构制造的离子束蚀刻—再沉积技术、三维打印具有热适应可调谐的力学拉胀超材料、动态结构光超分辨活脑成像，敬请关注！

索引

1．超净石墨烯

2．基于时空调制的级联谐振器中的非对称声学传输

3．三维复合纳米结构制造的离子束蚀刻—再沉积技术

4．三维打印具有热适应可调谐的力学拉胀超材料

5. 动态结构光超分辨活脑成像

1、超净石墨烯（Towards super-clean graphene）

——巧妙结构设计实现超净石墨烯（> 99％的清洁区域）的生长。

长期以来，表面污染一直是碳材料领域的巨大挑战，并且在石墨烯中仍未解决。表面污染的问题对石墨烯来说非常重要，因为它是探测石墨烯固有特性的一个主要障碍，并且极大阻碍了石墨烯器件的性能提升和应用。在众多石墨烯合成方法中，化学气相沉积（CVD）法，尤其是在Cu基板上的化学气相沉积法，具有可控、可规模化、低成本的巨大优势。尽管该方法在调控晶粒尺寸和规模化方面取得了进展，但通过消除表面污染来生长清洁的石墨烯薄膜仍然是一项艰巨的挑战。近期，来自北京大学和厦门大学的研究团队报道了CVD生长的石墨烯表面污染的起源，污染主要来源于高温下的化学气相沉积过程，而不是在转移和储存过程中。为获得表面洁净的石墨烯，团队使用交替堆叠的Cu箔和Cu泡沫作为衬底，并持续通入Cu蒸气。该巧妙的设计可以很容易地获得具有优异性能的超净石墨烯（> 99％的清洁区域），其尺寸达到米量级。由此获得的超净石墨烯片具有与机械剥离石墨烯相当的可靠高品质，该方法有助于提高石墨烯的光学透明度和热导率，可以获得极低的电接触电阻和本征亲水性。该项工作不仅开辟了工业级石墨烯生长的前沿，为超净石墨烯薄膜的先进应用提供了机会，而且促进了对其他超净二维晶体合成的进一步研究。相关研究发表在近期的《Nature Communications》杂志上。

文章链接：

Li Lin, Jincan Zhang, Haisheng Su, et al. Towards super-clean graphene, Nature Communications 10: 1912 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-09565-4

2、基于时空调制的级联谐振器中的非对称声学传输

互易性是波动力学的一个基本约束: 当两个点的位置交换时, 从一个点到另一个点的传输性能保持不变。互易性的破缺为控制波的传输和波-物质相互作用提供了丰富的可能性, 在传感和通信、光感成像和信号处理等众多应用中都是非常理想的。在电磁学和光学中, 非互易性已经通过一些手段的研究得到了证明, 包括使用磁性材料，打破时间反转对称，和构造拓扑效应等。虽然近年来非互易光子学的研究兴趣越来越大, 但声学领域内的非互易性研究在很大程度上是未充分开发的，

近日, 来自杜克大学的Cummer的团队报告了在空间和时间调制的级联谐振器中的非对称声学传输，讨论了基于该方法实现物理系统的设计策略。通过有限差分时域(FDTD)仿真对该理论进行了数值验证，在这里考虑一个一维 (1D)传播场景, 其中亥姆霍兹谐振器连接到一个主机波导, 并通过动态调制的体积的腔室,实现了声波的单向传输，并建立了一种分析模型来表征系统的传输行为。结果表明,利用谐振器空间之间不同的相位差, 可以产生很强的非互易性。在仅使用两个谐振器的情况下，隔离系数即可达到25dB以上, 并且可方便地调制参数。讨论了相应的参数并且提出了该系统的实际实现, 其尺寸约为四分之一波长，给出了具有实际几何参数和参数变化的变分边界条件的光路FDTD 模拟，验证了关系的非互易作用。这项工作能对实现紧凑型光声非对易声学器件有所帮助, 并能在光声成像、传感、噪声控制等领域有所裨益，相关文章发表在杂志《Physical Review B》上。

文章链接：

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.99.134306

3、三维复合纳米结构制造的离子束蚀刻—再沉积技术

纳米制造技术发展使得我们在生物传感、纳米流体、纳米光子学和纳米电子等领域取得了一系列重大发现。目前使用的大多数纳米制造技术可以分为两大类:自底向上和自顶向下。自底向上的制造方法利用分子或原子之间的相互作用，从而在二维或三维尺度组装复杂的纳米级组件。原子层沉积、分子自组装和DNA自组装是自底向上纳米制造方法常见的应用。这些技术可以加工出大部分纳米级的样品，但缺乏控制，尤其是在组装结构的几何形状方面。自顶向下的方法是基于纳米尺度材料的结构，一般是通过一系列步骤将其加工而成，这些步骤通常包括光刻、干蚀刻或湿蚀刻、氧化和金属喷镀等。常用的高分辨率光刻方法包括光学光刻、电子束光刻、软光刻、纳米压印光刻和扫描探针光刻等。这些方法可以控制纳米结构的尺寸、形状和特性。然而高运营成本，缺乏通用性，特别是在三维(3D)纳米结构制造方面是它们的缺点所在。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院B. X. E. Desbiolles等人提出了一种基于离子束蚀刻过程中光刻胶侧壁局部溅射-再沉积方法。这种方法只需要四个步骤在短时间内就可以在晶片上制备出各种形状、高度、厚度和复杂性的纳米结构。可以制备出尺寸低于100nm的各种形状图案，同时在材料选择上具有前所未有的灵活性。仅使用标准的微加工技术就能成功地制备了复杂的纳米结构，如纳米通道、多材料纳米线和悬浮网络结构。这为传统的纳米制造技术提供了一个选择途径，同时也为生物传感、纳米流体、纳米光子学和纳米电子学提供了新的机遇。相关研究工作近日发表在《Microsystems & Nanoengineering》上。

文章链接：

B.X.E. Desbiolles , A. Bertsch and P. Renaud. Ion beam etching redeposition for 3D multimaterial nanostructure manufacturing. Microsystems & Nanoengineering (2019) 5:11.https://doi.org/10.1038/s41378-019-0052-7.

4、三维打印具有热适应可调谐的力学拉胀超材料

力学超材料的卓越性能是通过其内部结构的几何设计而产生的。因此, 经典力学超材料的性质通常不会改变, 一个几何设计只对应于一组力学行为。这限制了超材料在需要自适应行为的情况下的应用，在实际应用例如生物医学植入物中，人们是十分期待一个具有可调谐的泊松比来提高结构的兼容性。为了实现可调谐的力学性能，力学超材料中应当包括额外的自由度，一个可能的途径是引入可以用来改变微结构形状的机制，但同时也增加了结构的复杂性，另一个更好的途径是使用本质上有性质变化的功能材料来响应外界刺激，具有响应的超材料的最新例子是磁热流体包裹体对刚度的远程控制，以及功能聚合物的自适应模式转换。

近日，来自北京大学的Daining Fang团队展示了动态的，可以根据需求调节的力学超材料制备，主要方法是结构设计和多种材料三维打印。还设计了一种包含两种不同型晶序变形模式的软周期晶格超材料。一种变形模式由锯齿状拓扑缺陷控制, 另一种变形模式由嵌入晶格中的响应材料的热活化控制，通过用环境温度调节变形模式, 有效地控制了变形模式。格子的泊松比可以在负值和正值之间进行有控制地切换，和以往的响应型超材料研究相比，因为具有特定的几何结构设计，对材料属性选择的限制可以放宽。他们从实验和理论上研究了热相变可调谐变形的机理, 提出了超材料的空间预测设计。他们的设计原则为探索具有卓越的和可编程力学性能的超材料开辟了一条新的道路。相关文章发表在杂志《Physical Review Applied》上。

文章链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.11.044074

5、动态结构光超分辨活脑成像

在大脑中，单个细胞充当神经网络的组成部分，这些神经细胞对外部输入作出反应，同时也受到内部状态的调节。因此，为了理解大多数神经生物学过程，我们需要研究完整大脑中细胞间的交流。随着亚细胞空间分辨率的提高，光学显微镜一直是研究人脑结构和功能的重要工具。近年来，超分辨率光学显微镜提供了更精细的空间细节，在神经科学上“崭露头角”。但是仅仅在培养的细胞中观察研究，还不足以了解大脑的秘密，另一方面超分辨显微镜在时间分辨率上还不足以捕捉大脑中的活动事件。

结构照明显微镜（structured illumination microscopy,SIM）是一种超分辨成像技术，它利用不同方向和相位的光栅照明图案来获取多个宽场图像，这些光栅照明图案被一起处理以重建一张图像。在分辨率、速度、标记识别等方面，SIM为活体细胞超分辨成像提供了一个很好的折衷方案。由于复杂的三维荧光分布、光学异质性和连续运动，完整的活体大脑中的超分辨成像面临着一些独特的挑战。

最近来自霍华德休斯医学院（Howard Hughes Medical Institute），和加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）的研究人员，包括诺奖获得者Eric Betzig一道。为了减轻运动带来的偏差，开发了自适应光学（AO）与SIM相结合的成像技术，以消除样本引起的像差，使用细分物体精确的照明参数，并使用相位采样和图像配准来减轻大脑运动的影响。通过这些优化，新技术能够在体内以纳米级分辨率在小鼠大脑的树突和突触上动态成像。文章以Dynamic super-resolution structured illumination imaging in the living brain为题发表在PNAS上。