今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及基于耗散介质热管理的红外和激光兼容隐身的多波段超材料发射器，旋转对称折纸：力学与设计综述，具有极端刚度和强度的非层级结构材料等，敬请期待！
索引：
1.基于耗散介质热管理的红外和激光兼容隐身的多波段超材料发射器
2.绿色柔性电子产品：天然材料、制造和应用
3.旋转对称折纸：力学与设计综述
4.具有极端刚度和强度的非层级结构材料
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基于耗散介质热管理的红外和激光兼容隐身的多波段超材料发射器
红外波长范围内的热发射器件因其在大气科学、军事和能源工程方面的广泛应用而受到越来越多科研人员的关注。根据Stefan-Boltzmann定律，器件的热辐射信号强度由温度和发射率决定。与精确控制温度相比，改变表面发射率是一种更有效、更方便的热辐射管理策略。考虑到大气窗口的高透过率，器件设备在这两个探测波段的发射率应尽量控制在较低的水平，使其对主动跟踪系统不可见，而在大气窗口外保持较高的发射率，以保证辐射散热。中红外热发射调制技术是红外伪装技术中一个重要的研究方向，它通过合理地调制辐射信号来实现目标与背景环境的融合。其中通过对物体发射率的调制来实现良好的红外伪装性能是目前研究的重点。单波段红外伪装技术虽然取得了巨大的进步，但仍无法应对现代多光谱探测技术，针对复杂情况下隐藏的目标，开发多波段兼容伪装技术迫在眉睫。
近日，河南师范大学物理学院刘玉芳教授团队提出了一种基于Al/SiO2/Al纳米三明治结构的多波段超材料发射器，为有效的红外和激光兼容伪装提供了新思路。研究人员利用材料的固有吸收和磁共振特性，可以合理地调制红外区的热辐射。制备的样品通常在大气窗口中呈现低发射率（ε3–5μm=0.21，ε8–14μm =0.19），以逃避红外探测，在未探测到的能量耗散波段中呈现高发射率（δ5–8μm =0.43）。
此外，通过SiO2层的非局域等离子体共振引入10.6 μm的强吸收，实现了激光伪装。此外，由于其良好的辐射冷却性能可与金属铝材料相媲美，因此在热管理方面具有广阔的应用前景。总之，该工作展示了一种基于超表面结构的多波段发射器，该发射器具有兼容的红外-激光伪装和辐射冷却特性，有望为热辐射器件的设计开辟新的途径。相关研究工作发表在《Photonics Research》上。（丁雷）
文章链接：
Kun Yu, et al. Multiband metamaterial emitters for infrared and laser compatible stealth with thermal management based on dissipative dielectrics. Photonics Research(2023).
https://doi.org/10.1364/PRJ.476109.
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绿色柔性电子产品：天然材料、制造和应用
塑料电子产品的出现满足了人们对柔性电子产品日益增长的需求。然而，塑料产品会造成了严重的生态问题。以天然材料为基础的柔性电子产品越来越有望实现“绿色”和环保的理念。
近日，西北工业大学的于海东教授团队、南京工业大学孙庚志教授团队联合黄维院士团队综述了绿色柔性电子器件的设计和制造的最新进展。首先，该文全面介绍了各种天然材料及其衍生物，重点介绍了纤维素和蚕丝、木材和纸张、植物和生物质。其次，介绍了改性天然材料的制备技术，包括物理方法和化学方法，并对其优缺点进行了分析。作者详细描述了基于天然材料的绿色柔性电子产品，包括电线/电极、天线、热管理器件、晶体管、忆阻器、传感器、能量收集器件、储能器件、显示器、执行器、电磁屏蔽和集成系统。最后，作者展望了在绿色柔性电子产品中使用天然材料的现有挑战和机遇。相关工作发表在《Advanced Materials》上。（郑江坡）
文章链接：
10.1002/adma.202211202
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旋转对称折纸：力学与设计综述
折纸是一种古老的艺术，可以将2D的平面纸张转变为3D的结构。折纸的折叠构型取决于其折痕图案，折痕图案通常由重复的多边形单元格通过峰折痕和谷折痕连接而成。通过合理设计折痕图案，折纸结构不仅可以实现多样化的折叠构型，还可以实现各种独特的力学性能，如双稳态/多稳态、负泊松比、高承载能力、高能量吸收效率等。此外，这些性质可以通过折纸结构的折叠和重构来调节。折纸与现代科学相结合，使得工程折纸领域已经远远超出了艺术和美学范畴，近几十年来在各个领域得到了广泛的应用。在丰富多彩的折纸世界中，大量的折纸具有旋转对称性，如Kresling折纸构型、水弹折纸、方扭折纸和折纸闪光灯。具有旋转对称性的折纸不仅具有优雅的几何形状还带来了许多有用的功能。为了实现这些设计和应用，全面了解其折纸构造块的几何设计和力学行为至关重要。折纸结构的几何设计通常是受大自然的启发或通过数学规则发展而来。折纸结构的折叠行为和力学行为，如展开性、平折性和刚折性，主要由折纸的几何形状决定。理解折纸几何设计与力学行为之间关系最直接的方法是分析能量景观，它描述了折叠/伸展过程中弹性能的变化。从能量图可以确定稳定状态的数量，稳定状态之间转换需要克服的能量势垒，以及折纸的力-位移曲线和刚度等。
近日，美国斯坦福大学赵芮可教授团队根据折纸展开态和折叠态之间的维度变化，将具有旋转对称性的折纸结构分为三类：第一类，折纸可以从3D展开构型折叠/展开成2D平面构型。代表性的例子有克雷斯林（Kresling）折纸、吉村（Yoshimura）折纸、圆柱形三浦（Miura-ori）折纸、方扭折纸和折纸闪光灯。第二类，折纸不能平折，只能在其不同的3D构型之间转换。例如，水弹折纸、广义三浦图案、轴对称三浦折纸、Ron Resch折纸、Hypar折纸等。对于第三类，折纸可以从一种2D构型转换到另一种2D构型，包括剪式桁架结构和环形折纸。文章总结了这三类折纸结构的刚性可折叠性、折叠行为和额外的关键特征，从中可以对具有旋转对称性的折纸有一个基本的认识。然后简要介绍了基于纸张折叠的经典折纸的弹性能。接着详细介绍了三类旋转对称折纸的几何设计和力学行为。最后，对具有旋转对称性的折纸的未来进行了展望并概述了关键挑战。相关研究发表在《Applied Mechanics Reviews》上。（徐锐）
文章链接：
L. Lu, S. Leanza, R. R. Zhao. Origami With Rotational Symmetry: A Review on Their Mechanics and Design[J]. Applied Mechanics Reviews, 2023, 75(5).
https://doi.org/10.1115/1.4056637
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具有极端刚度和强度的非层级结构材料
刚度和强度是工程设计中至关重要的因素。材料的刚度和强度是决定材料抵抗变形和极限承载能力的基本属性。3D打印和微纳米加工技术的进步使得在刚强度属性空间中突破极限的结构材料在轻量化设计和填充结构中的应用成为可能。多孔微结构的可实现刚度受到理论Hashin-Shtrikman边界的限制，而强度最终取决于材料屈服或塑性变形的开始。然而，对于低体积分数或高屈服强度的基材，在屈服前就会发生屈曲诱导破坏或微观结构坍塌。因此，在没有显著刚度退化的情况下，缩小材料屈服失效和屈曲失效之间的差距对于实现结构材料的潜力至关重要。此前，许多研究通过解析研究、数值分析或系统的优化方法，考虑材料微结构构型实现最优刚度接近理论上界。以拉伸为主的桁架和板状微结构是实现具有极端刚度和强度的结构材料的竞争者。在低体积分数极限下，闭孔各向同性板微结构满足刚度的理论上界，但具有较低的屈曲强度，而开孔桁架微结构以显著降低的刚度为代价具有较高的屈曲强度。在有限体积分数下，情况变得不那么清晰，但两者在屈曲强度方面都优于空心桁架晶格和层级微结构。尽管制造方法取得了重大进展，但空心和多尺度层级微结构的构建仍然具有挑战性。
近日，丹麦技术大学Fengwen Wang和Ole Sigmund团队系统地设计、构建和测试了空心桁架点阵微结构，分别将其单尺度非层级（一阶）微结构、一阶和二阶平板微结构的屈曲强度提高了2.4倍、5倍和1.4倍。微结构的刚度在理论范围的40%以内，同时优于桁架和二阶板微结构。将材料设计过程与3D打印约束相结合，开发具有极端刚度和屈曲强度的可制造各向同性微结构构型，并进一步通过实验验证其性能。还通过CT扫描样品的数值建模提供了额外的见解。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）
文章链接：
F. Wang, M. Brøns, O. Sigmund. Non‐Hierarchical Architected Materials with Extreme Stiffness and Strength[J]. Advanced Functional Materials, 2023.
https://doi.org/10.1002/adfm.202211561
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