今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及利用圆偏振光直写3D打印等离子体纳米螺旋，非线性谷霍尔效应，机构超材料的对偶性和剪切解析响应，功能应用先进材料和结构4D打印的最新进展等,敬请期待！
索引：
1、利用圆偏振光直写 3D 打印等离子体纳米螺旋
2、谷密度非守恒及其对观察谷霍尔效应的影响
3、非线性谷霍尔效应
4、用于变形超材料的弯曲折痕折纸
5、机构超材料的对偶性和剪切解析响应
6、功能应用先进材料和结构4D打印的最新进展
7、由混合模式突弹跳变不稳定性驱动的本征多稳态软致动器
亚波长尺寸的手性无机纳米结构对透射光和反射光的强烈偏振旋转促进了它们在过去十年的快速发展。具有纳米和微米尺度手性的等离子体表面对其介电环境的变化表现出特别高的敏感性，使其成为生物传感、催化、光子学和信息技术领域有前途的材料平台。目前，具有三维手性的基板上的亚波长金属几何形状主要通过双光子 3D 光刻、随后电镀金属和等离子体蚀刻来创建。其他图案化方法包括离子/电子束诱导沉积和掠射角沉积。最近也有人建议将预合成的 3D 等离子体元件转移到基板上作为替代方法。所有这些方法都很准确，但复杂且昂贵；它们还涉及在低压或高温条件下耗时的多步骤处理。光子-物质手性转移为 3D 打印过程中的手性合成提供了简单性和通用性，为克服这些基本限制提出了一个有前途的研究方向。
近日，密歇根大学的Biteen和Kotov团队展示了使用圆偏振光进行面外 3D 取向的银纳米螺旋的基材直写印刷和图案化。使用廉价的中等功率激光器可以在几分钟内产生厘米级的手性等离子体表面。纳米螺旋的生长是由银纳米粒子（NP）的对称性破坏的位点选择性沉积和自组装驱动的。入射光子的椭圆率和波长控制印刷纳米螺旋的局部旋向性和尺寸，这使得能够在直接写入和复杂多功能超表面的简单路径过程中动态调制纳米螺旋手性。直立螺旋光驱动打印的处理简单性、高偏振旋转和精细空间分辨率为手性等离子体表面提供了快速途径，加速了健康和信息技术手性光子学的发展。相关工作发表在《PNAS》上。（刘帅）
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https://doi.org/10.1073/pnas.2312082121
非拓扑系统中的谷Hall效应近来引起了相当大的争议。当能带结构具有两个非零Berry曲率的谷时，即使没有磁场，电子也会沿着正交于施加电场的方向偏转。然而，由于系统不是拓扑的，来自两个谷的电子会沿着相反的方向偏转，导致零（电荷）霍尔电流但有一个有限的谷霍尔电流。这被定义为来自相反谷电子的电荷电流之间的差异。当这种电流击中系统的边界时，预计谷密度（或者更物理上地说，轨道磁化）会在其边界处积累。这假设谷密度遵循标准的连续性方程。这似乎是一个合理的假设：两个谷在动量空间中被很好地分离，甚至可以理想地被看作是完全没有联系的。
一些作者进一步认为，即使是完全能隙的非拓扑绝缘体，如与六方氮化硼（hBN）对齐的石墨烯，也可以通过横向体内能隙谷电流介导的非局域电荷输运。部分作者认为，在有限温度下，谷密度积累可以驱动“挤压边缘电流”（与边缘平行）与实验结果相符。然而，其他作者从微观计算中发现在简单的石墨烯/hBN模型中没有谷密度积累或边缘电流。在完全能隙绝缘体的情况下，在其中没有体态或边界态穿过费米面，这给我们留下了以下难题：一方面，电场驱动了体内有限的无耗散谷霍尔电流；另一方面，时间反演对称性意味着谷密度积累——一个时间反演奇数量——不能出现在对电场的响应中，除非存在耗散，而在费米面没有状态的情况下是不可能的。那么谷电流去哪了？
近日，曼彻斯特大学的Alexander Kazantsev和Alessandro Principi团队，证明多谷绝缘体中的谷密度守恒被驱动谷霍尔效应的电场意外地打破了。这意味着时间反转不变的完全间隙绝缘子，其中没有体态或边缘态穿过费米能级，可以支持体中的谷霍尔电流，但在边缘没有显示谷密度积累。因此，在这样的系统中不能观察到谷霍尔效应。如果系统没有完全能隙，那么在边缘的谷密度积累是可能的。积累没有来能隙以下态的贡献，可以表示为费米表面平均值。通过计算一个典型的谷-霍尔绝缘体中的谷密度积累来证明该理论：一个有带隙的石墨烯纳米带。相关内容发表于《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（金梦成）
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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.106301
2007年，研究人员成功实现了线性谷霍尔效应（VHE）中谷自由度的电控制。VHE是一种电子在材料样品中相对两侧积累的效应（横向于所施加电场的方向），并具有相对谷指数。这一现象是由于反演对称破缺材料的谷对比贝里曲率和反常霍尔速度引起。通过VHE，研究人员成功找到了在异常电荷霍尔响应消失的时间反转系统中测量贝里曲率的方法。通过对六角石墨烯超晶格和单层过渡金属双卤化合物的非局部电阻测量，研究人员成功测量了VHE。然而，在具有反演和时间反转对称的系统中，动量空间中每个点的贝里曲率消失，导致这类系统中不存在VHE，从而带来一个基本问题：如何通过电学手段探测和操纵非磁性对称材料和反转对称材料的谷自由度？
近日，印度理工学院的Kamal Das和Amit Agarwal团队提出了一种非线性机制，能够在具有反演和时间反转对称的系统中产生谷霍尔电流，其中线性和二阶电荷霍尔电流随着线性谷霍尔电流而消失。研究人员成功证明了只要设计了谷对比各向异性色散，就会从贝里曲率的电场校正中出现二阶谷霍尔信号。实验中，在应变石墨烯和有机半导体中倾斜无质量狄拉克费米子的非线性谷霍尔效应。该研究为通过非线性谷电子学控制反演对称系统中谷自由度提供了可能性。相关内容发表于《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（金梦成）
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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.096302
超材料的特性与构成它们的原材料的特性一样，都是几何和空间布局的产物。这是经典复合材料理论中的一个引人注目的例子：各向同性多孔板的有效杨氏模量不取决于原材料的泊松系数，而仅取决于孔隙的空间分布。此外，对于高度多孔的板，有效泊松系数是几何形状的纯乘积，并且完全独立于原材料。折纸花纹，以及其他由结构元素组成的超材料，包括在连接处连接的杆和板，提供了更新的例子，说明泊松系数是一个纯粹的几何构造。
近日，密苏里大学的Nassar团队得到了“Miura ori”折纸图案的弯曲折痕变体的泊松比的封闭形式表达式。这是通过明确构建一个连续的单参数家族的等距分段光滑表面来实现的，该表面描述了从参考状态折叠出来的过程。该工作还研究了图案在弯曲中的响应：通过使用数值收敛方案，发现在微小弯曲下的有效法线曲率呈相等且相反的比率，与泊松比相对应。这些结果是首次出现的，由于其简单性，它们可为曲线褶皱折纸和可变形外壳机制的设计和建模提供富有成果的参考。该工作所开发的方法可以被用于设计具有可调自锁状态的曲线褶皱三维变形固体。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（刘帅）
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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.108201
经典弹性理论是一种描述结构从单一零能模式发生形变的场论。近来越来越多的力学超材料研究将特殊的无能量变形路径编程到材料中，产生近零能形态的连续流形结构。这类设计机制是通过将弹性常数设置为零或负值，或设计多稳态、几何挫折和层级弹性的构型来产生复杂的空间响应。然而单一机制对弹性响应的一般影响仍然在很大程度上未被探索。
最近，佐治亚理工学院物理学院的Michael Czajkowski 和 D. Zeb Rocklin提出了一个统一的理论框架，表明二维结构中的单模态会产生一个异常的零能剪切解析模空间。这些无应力应变模式的空间分布与平衡应力构型具有对偶性，并展示了常规泊松比结构中的体模态和负泊松比的倏逝表面模态之间存在过渡。相关工作以“Duality and Sheared Analytic Response in Mechanism-Based Metamaterials”为题发表在《PHYSICAL REVIEW LETTERS》上。（孙嘉鹏）
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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.068201
4D打印技术是在3D打印的基础上引入了第四个维度——时间，自2013年提出概念以来就备受关注。它涉及打印部件在热量、光、电场、磁场、溶剂甚至多重刺激等外部刺激下，在形状、属性或功能方面发生的动态变化。4D打印促进了功能性智能设备和微结构的制造，其应用领域广泛，包括生物医学工程、电子学、光子学、机器人学和致动器。4D打印将复杂的3D几何图形转换为简化的打印模式，并简化了部件组装，从而简化了复杂执行部件的设计和制造。迄今为止，常见的3D打印技术已被用于4D打印。由于成本低廉、适用材料多，并能高效地进行多材料打印，还原光聚合（VPP）和材料挤出（MEX）是已被广泛应用于4D打印中。材料方面，刺激响应材料是4D打印中最常用的材料，包括形状记忆聚合物（SMP）、液晶弹性体（LCE）和水凝胶，它们对外界刺激具有固有的响应。SMP具有形状记忆效应（SME），可以从临时形状恢复到原始形状。传统的SMP可被视为可逆开关段和网络结构的结合体。尽管已经有许多综述文章从不同角度讨论了4D打印的研究进展，但是随着4D打印技术的飞速发展，人们对它的兴趣与日俱增，因此对最新综述的需求比以往任何时候都更加迫切，以提供对最新研究进展的全面了解。
近日，美国佐治亚理工学院Hang Jerry Qi教授和新加坡南洋理工大学Kun Zhou教授团队全面回顾了使用各类材料和不同增材制造技术进行4D打印的最新成果。主要从打印技术、刺激和应用等方面介绍了近三年来取得的进展。文章就SMP、LCE、水凝胶、金属、陶瓷、集成了功能添加剂的活性材料以及多种材料等材料类别，讨论了每种技术所采用的打印策略。考虑了每种打印技术在实现功能结构方面的优势和局限性，并重点介绍了它们的应用。文章概述了这些技术及其适用于4D打印的材料，并总结了它们各自的优势和局限性。最后，系统地讨论了4D打印技术当前面临的挑战、未来发展方向和前景。本综述不仅为制造具有不同刺激响应的功能材料和结构提供了全面指导，还为未来新型4D打印技术的发展提供了见解和灵感。相关研究发表在《Advanced Materials》上。（徐锐）
文章链接：
X. Wan, Z. Xiao, Y. Tian, et al. Recent Advances in 4D Printing of Advanced Materials and Structures for Functional Applications[J]. Advanced Materials, 2024.
https://doi.org/10.1002/adma.202312263
7、由混合模式突弹跳变不稳定性驱动的本征多稳态软致动器
从捕蝇草到可重构超构材料和软体机器人，突弹跳变不稳定性在各种双稳态和多稳态系统中发挥着重要作用。此类结构可设计为对各种刺激（气压/液压、电场、磁场、光、溶剂和湿度）做出响应。双稳态和多稳态结构可由弹性梁、板和壳、薄壁气球以及弹簧铰链结构和刚度可调材料制成，还可以利用折纸、剪纸和其他超构材料结构进行图案化。它们的发展为软体机器人带来了各种突破性应用，包括进行快速和多模式运动、抓取和操纵的移动软体机器人、控制流体流动的软阀门以及软逻辑器件。与传统的单稳态致动器相比，双稳态和多稳态致动器具有以下两个独特优势：首先，突弹跳变不稳定性可实现快速响应和显著的力输出，制造出的高性能致动器可用于快速运动和跳跃。其次，双稳态和多稳态致动器一旦锁定，可以保持其构型而无需持续输入能量。因此，它为机器人抓取、运动步态的动态变化、结构变形、逻辑门器件和无电子控制提供了快速、节能的可靠解决方案。为了进一步利用突弹跳变不稳定性的潜力，研究人员努力创造多稳结构，以扩大系统的稳定构型和变形模式总数。这通常是通过直接组合多个双稳态单元来实现的。尽管这些先例为实现多稳态致动器提供了几种可行的方法，但在单个致动器单元内直接实现内在多稳态性仍然是一项具有挑战性的任务。
近日，美国卡内基梅隆大学Dinesh K. Patel、Zefang Li、Carmel Majidi教授团队介绍了一种软致动器，它利用形状记忆合金（SMA）和混合模式弹性不稳定性来实现固有的多稳态形状重构。多稳态致动器单元由六个稳定状态组成，包括两个纯弯曲状态和四个弯曲-扭转状态。致动器由预先拉伸的弹性薄膜组成，该薄膜位于两个嵌入了SMA圈的弹性框架之间。通过控制SMA激活的顺序和持续时间，致动器能够在数百毫秒内实现所有六种稳定状态之间的快速转换。能量最小化原理用于确定各种稳定状态转换的启动顺序。根据致动器的几何参数设置，记录了与各种预拉伸比相对应的弯曲和扭转角度。为了演示其在实际条件下的应用，多稳态致动器被用于在密闭空间中进行视觉检测、在光伏能量收集过程中进行光源跟踪以及敏捷爬行。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）
文章链接：
Y. Luo, D. K. Patel, Z. Li, et al. Intrinsically Multistable Soft Actuator Driven by Mixed-Mode Snap-Through Instabilities[J]. Adv Sci (Weinh), 2024: e2307391.
https://doi.org/10.1002/advs.202307391
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