今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及非厄米超表面偏振相关单向无反射，协同编程3D超构材料中的热膨胀和力学性能，一种基于剪纸高度依赖于剥离方向的各向异性粘附，单周期声脉冲的产生等，敬请期待！
2.协同编程3D超构材料中的热膨胀和力学性能：设计-结构-性能（综述）
4.非厄米超表面偏振相关单向无反射及其在近场灰度成像中的应用
5.单周期声脉冲的产生：单电子电路中传输的可扩展解决方案
近些年对剪纸的重新发现开启了柔性和可重构表面领域的新时代，在软体机器人、可拉伸电子、光学和纺织品中实现了多样化的多尺度应用。剪纸工程的潜力背后有一个简单的概念：有目的地在受张力影响的薄板上引入切割会产生非线性响应（即分叉），从而防止失效，打破薄板的2D性，产生3D表面。然而，剪纸的简单只是表面上的，最近的数值和实验研究表明，在一个共同的几何图案中，轻微的变化可以产生杂色的对称和反对称的3D形状，显示出可以通过准静态拉伸控制的3D倾斜和扭转。尽管这种丰富的变形形态景观使基于剪纸的设计成为可变形应用的沃土，但满足设计要求（即反向设计问题）的系统方法却很少，试错（基于耗时的实验和计算迭代）仍然是流行的方法。剪纸超构材料领域的反问题主要是通过优化方法来解决的，这些方法已经被证明是成功的，但可能是耗时的，特别是在涉及屈曲的高度非线性问题中，对于每个新的优化目标，整个设计空间都必须被探索，这最终导致昂贵的计算迭代。在这种方法的匮乏中，数据驱动的方法为探索非线性力学超构材料的巨大设计空间提供了一个有趣的选择，特别是为解决复杂的剪纸设计问题。
近日，美国西北大学Horacio D. Espinosa教授团队介绍了一个全面的机器学习框架，以阐明剪纸设计空间，并合理指导基于剪纸的材料的设计和控制，从超原子到超构材料水平的设计和控制。采用聚类、串联神经网络和符号回归分析的组合，以获得满足特定设计约束并告知其控制和部署的剪纸。提出并通过实验证明了一个完整、系统的合理设计工作流程，包括四个连接模块：（1）探索设计空间，（2）反向设计，（3）调查部署已达到的设计及其可调性的条件，（4）在初始设计空间之外获得构型的效用。该系统方法通过检查不同层次级别的各种应用进行了实验证明，有效地为发现变形剪纸超构材料提供了工具。相关研究发表在《npj Computational Materials》上。(徐锐)
文章链接：
N. A. Alderete, N. Pathak, H. D. Espinosa. Machine learning assisted design of shape-programmable 3D kirigami metamaterials [J]. npj Computational Materials, 2022, 8(1).
https://doi.org/10.1038/s41524-022-00873-w
协同编程3D超构材料中的热膨胀和力学性能：设计-结构-性能（综述）
众所周知，热膨胀系数（CTE）是表征材料在工作温度变化下几何变形的重要热物性参数。在一般情况下，由于原子间相互作用产生的非谐振振荡，大多数自然材料和工程材料（如合金、聚合物和陶瓷等），在加热时会膨胀，从而产生固有的常数和正的热膨胀系数，通常很难有目的地调制或定制。热膨胀和热应力是各种工程装置中的主要问题，与热膨胀系数明显相关。具有低或甚至零热膨胀系数的材料将在确保高性能设备的尺寸稳定性和相当大的强度方面发挥重要作用。最近，已经做出了许多努力来设计材料，以实现特殊的热膨胀系数，包括接近零的、大的正的和负的热膨胀系数。目前，为了定制热膨胀系数，报道的材料可分为三类：块状材料、复合材料和超构材料。块状材料和复合材料强烈依赖于调节化学成分或重新组合增强材料和基体。相比之下，仅仅通过将常用的工程材料集成到基本构造单元的精细结构和多材料布局中，超构材料被证明能够专门创造有目的地编程其宏观性能的能力。此外，性能可以通过理论建模来准确预测，而不是传统材料研究中的经验和反复试错的方式。最重要的是，多种性能，如热膨胀、刚度/强度、重量轻，可以在超构材料中协同编程，从而提供巨大的设计空间和巨大的工程应用潜力。目前，关于具有可编程热膨胀系数的超构材料的文献主要分为拓扑优化型、弯曲主导型和拉伸主导型。
近日，湖南大学和中南大学韦凯副教授团队设计和分析了多种超构材料，以整合可编程热膨胀系数（CTE）和力学性能（相对密度、刚度和强度）。具体而言，首先设计了一系列双材料超构材料单元，并提出了一种矢量分析方法来解析识别热膨胀系数张量。然后，提出了一种新颖的设计策略，即矩阵变换法，系统地设计了具有单向、横向和各向同性热膨胀系数的多类3D超构材料。此外，从理论上建立了相对密度、刚度和强度等力学性能。研究发现，这些超构材料很好地平衡了热膨胀系数的方向性和可编程性。最重要的是，通过调整几何参数，可以在这些超构材料中协同实现理想的重量轻、高刚度和强度的热膨胀系数。最终，建立了一个指导超构材料发展的原则。这是最初的设计策略，作为基础来绘制超构材料中的特定架构，相应地，构建协同编程或定制热膨胀和力学性能的能力。相关研究发表在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。（徐锐）
文章链接：
K. Wang, J. Chen, Z. Han, et al. Synergistically program thermal expansional and mechanical performances in 3D metamaterials: Design-Architecture-Performance[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2022.
https://doi.org/10.1016/j.jmps.2022.105064
如何实现各种基材的牢固的粘合和毫不费力的剥削在可穿戴生物医疗设备、软机器人、软机器和先进制造在内的新兴工程应用中都是非常重要的。例如，在柔软和潮湿的表面牢固的附着和轻易分离之间进行切换对于某些动物的垂直攀爬至关重要的。通过分析垂直攀爬的动物牢固附着和易分离协同作用，研究人员发现不对称和各向异性在生物黏附的切换中发挥着重要作用。例如，在壁虎脚上不对称排列的刚毛提供了高度依赖于剥离方向的各向异性粘附性，导致在附着和脱离之间进行方向控制的切换。现有的高度各向异性的粘合剂已被证明可以显著增强剥离力，并与方向有轻微的相关性。而且，通过对粘结剂或粘接界面的结构设计，可以实现高度方向相关的粘接，从而实现牢固的粘接和轻易的剥离。然而，在同一系统中，强粘接和易脱离之间的可控粘接与剥离仍然具有挑战性。
近日，南方科技大学洪伟教授提出了一种由剪纸启发的粘接方法。实现了强粘接和易脱离之间的可控粘接与剥离。通过在胶粘剂薄膜上刻上特殊高度方向不对称的图案可以增强粘附力，防止沿特定方向剥离。在剥离角度小得多的情况下，粘着能量通过面内弹性分散，剥离力峰值攀升。当胶粘剂以相反的方向剥离时，这样的机构是无效的，并且容易脱落。该研究基于不同弹性模数和几何参数的水凝胶胶粘剂，通过理论和数值分析阐明了胶粘剂的物理基础，并通过实验进行了验证。在柔软的衬底上或通过设计多层结构，可以进一步增强不对称附着力。其粘贴强度提升了22倍，能量增加了7倍。该研究所提出的机理普遍适用于各种分子间相互作用和不同的加载方式，为粘接性能优良但可控的新型胶粘剂的设计铺平了道路。相关研究发表在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。（何玉龙）
文章链接：
Qi Li , Weixuan Liu , Canhui Yang , Huiling Duan , Wei Hong. Kirigami-inspired adhesion with high directional asymmetry [J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2022, 105053. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2022.105053
非厄米超表面偏振相关单向无反射及其在近场灰度成像中的应用
厄米系统因其可观测的实本征值一直是研究的热点。然而，Bender和Boettcher证明了与等价时间(PT)算子交换的非厄米系统也能显示真实谱。由于将标量波动方程映射到薛定谔方程的傍轴近似，经典光学系统被认为是研究PT对称基本概念的理想平台。奇异点(EP)是最具吸引力的概念之一，其本征值和本征态与许多奇点特性合并，如拓扑相位积累、相干完美吸收、EP增强传感、PT对称激光、不对称衍射和单向无反射(UR)。其中，单向无反射光子效应(UR)因其在光开关和单向完美吸收器等光子电路中的潜在应用而备受关注。
近年来，关于光学非厄米系统及其非互易输运性质的研究取得了很大进展。然而，到目前为止，所有的UR研究都集中在各向同性结构上，而没有考虑到极化效应。然而，偏振是电磁波的固有特性，为光的传播和光学信息处理提供了重要的操纵自由度。
近日，浙江理工大学的严博教授课题组提出了一个多层互补超表面来实现极化相关的UR现象。EP是通过调整结构参数得到的，只有在y偏振光入射下才能出现UR现象。此外，超表面显示出与偏振相关的反射。当改变该结构的旋转角度时，前/后入射的反射逐渐增大/衰减。相关工作发表在《Applied Physics Letters》上。（郑江坡）
文章链接：10.1063/5.0109637
单周期声脉冲的产生：单电子电路中传输的可扩展解决方案
压缩脉冲的产生标志着光学的范式转变，使阿秒实验的实现以及任意光波形的合成下降到单周期光的极限。同样，形状微波脉冲也被广泛应用于核磁共振中，以动态控制经典或量子态。将这一思想扩展到声学领域，迄今为止只实现了任意形状的周期波形。然而，要合成任意的声子波形，就必须在单周期极限下产生按需的声脉冲。
以声表面波（SAWs）形式传播声子在电信行业中被广泛应用，近年来，它们在量子科学中得到了越来越令人印象深刻的应用。由于压电耦合，SAW伴随一个电势，允许电子在遥远的表面栅定义量子点(QD)之间进行单次发射传输。声电耦合方法可以实现接近宏观尺度的耦合量子轨道上的高效单电子转移和自旋纠缠的in-flight中保持。这些特性使得SAW驱动的电子传输技术有望用于量子计算实现的原理证明。
然而，声驱动的单电子输运具有内在的限制，因为声表面波序列的大空间范围。在静止量子点中停留期间，声表面波调制可以干扰飞行电子的量子态。由于SAW伴随有许多电势极小值(通常是数百个)，因此很难精确定时地传输飞行的电子。虽然这个问题后来初步得到解决，但这些方法要求每个量子点需要一个射频线和一个皮秒电压脉冲通道，因此仅限于几个电子源，因此不能扩展，并且还会引入不必要的电磁串扰。
近日，法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学的Christopher Bäuerle教授课题组提出了一种啁啾合成技术，以按需产生一个单一的，强压缩的声脉冲。为了确定工程表面波的形状，作者使用宽带数字换能器（IDT）作为SAW探测器进行时间分辨测量。通过将实验数据与基于脉冲响应模型的数值模拟进行比较，作者评估了合成方法的可靠性，并概述了走向最大脉冲压缩的路径。然后，作者利用声电啁啾脉冲在遥远的量子点之间传输单个电子，并评估传输效率。用皮秒电压脉冲触发声表面波驱动的发送过程，然后研究电子是否被完全限制在啁啾脉冲的中心最小值。相关工作发表在《PHYSICAL REVIEW X》上。(郑江坡)
文章链接：10.1103/PhysRevX.12.031035
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