今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及利用强光-物质耦合实现相位奇异性的全光控制，集成的碳化硅电光调制器，拓扑刚性态的可锁定、可刚性平折的折纸超材料等敬请期待！
索引：
1.利用强光-物质耦合实现相位奇异性的全光控制
2.集成的碳化硅电光调制器
3.用于宽频水下吸声且实现多种弹性模式转换的反射超表面
4.直接声音打印
5.具有拓扑刚性态的可锁定、可刚性平折的折纸超材料
6.具有多稳态密度和内能态的超流体
7.基于杆件的蜂窝到壳索材料
1.利用强光-物质耦合实现相位奇异性的全光控制
当物体反射的光振幅为零时，其相位变的极不稳定，此时会出现相位奇点。奇异光学聚焦光学领域的相位奇异性，主要研究了真实空间中电磁场剖面中的光涡旋。在光子色散图中也可以观察到相位奇异性，其中响应函数（例如光反射时的相位变化）在参数空间中绘制（与能量、入射角或几何参数相关的函数）。这些相位奇点会导致反射光谱中出现剧烈的相位跳变，该原理可用于传感技术，其灵敏度比商业传感技术高出三个数量级。此外，相位奇异性也可拓展于平板光学系统，基于布鲁斯特角、表面等离子体共振、等离子体晶格、过渡金属二元化合物、光学Tamm态和Fabry-Pérot微腔等结构观察到了相位奇点。实现相位奇点需要使用光刻、自组装或精密设计的复杂结构。在这些结构中，相位奇点只能在特定的条件下才可以观察到（例如光的一个特定入射角）。
近日，英国埃克塞特大学物理与天文系的Philip A. Thomas和William L. Barnes研究团队利用无腔强耦合的概念（即材料维持的电磁模式强到足以与材料自身的分子共振强耦合），从而在简单的有机分子薄膜中创建相位奇点。如果在相同条件下激发物质和光模式，便可耦合分子谐振器和受限电磁场的系综。当耦合强度超过对环境的损失时，光和物质模式进入强耦合状态，形成极化激元的混合态。虽然大多数强耦合实验依赖外部结构（如平面微腔或等离子体纳米结构）来产生受限电磁场，但该团队的结果表明外部结构并非必要条件。他们利用光化学反应，通过简单的光照来控制耦合分子的数量，从而控制光与物质的耦合强度。这使得人们可以调谐与每个极化子分支相关的相位奇点，并使其失谐，从而改变薄膜的相位灵敏度。该结果证明了强光-物质耦合可以在色散图中以非常简单的结构创建相位奇点，这既是强光-物质耦合的一个新应用，也是操纵相位奇异性的一种新颖、简单的通用方法。相关研究发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）
文章链接：
Thomas, P.A., Menghrajani, K.S. & Barnes, W.L. All-optical control of phase singularities using strong light-matter coupling. Nat Commun 13, 1809 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29399-x
2.集成的碳化硅电光调制器
由于其诱人的光学和电子特性，碳化硅成为了新兴的集成光子学平台。通过利用SiC的高折射率（~2.57）、宽禁带、低热光系数、高电子迁移率和热导率，可以在这种材料中制造出性能稳定的高密度集成光子器件。此外，由于其与互补金属氧化物半导体（CMOS）铸造纳米制造兼容，这可能以较低的制造成本实现，这也为与电子集成提供了机会。高光学损伤阈值和450 GPa的体杨氏模量增加了碳化硅器件在恶劣环境中工作的潜力。然而，该平台的一个组成部分缺少一个电光调制器，这是一种将电信号编码为光的设备。作为一种非中心对称晶体，碳化硅表现出普克尔效应，但由于晶体质量差和难以实现低损耗波导等原因，集成电光调制器尚未在SiC中实现。
近日，来自悉尼大学电气与信息工程学院和哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院的Keith Powell等人设计、制作并演示了一个碳化硅电光调制器。具体来说，他们实现了一种波导集成、小尺寸、千兆赫兹带宽调制器，该调制器在绝缘体上的碳化硅薄膜上使用互补金属氧化物半导体（CMOS）级电压工作。他们的器件采用与CMOS foundry兼容的制造工艺制造，无信号退化，不存在光折变效应，在高光强度（913 kW/mm2）下稳定运行，为现代通信提供了高的光信噪比。他们的工作将Pockels电光与碳化硅中的CMOS铸造兼容平台结合了起来。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：
Keith Powell et al. Integrated silicon carbide electro-optic modulator. Nature Communications (2022) 13:1851
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29448-5
3.用于宽频水下吸声且实现多种弹性模式转换的反射超表面
与电磁波不同，弹性波包含不同模式的波。它们之间的相互作用和耦合增加了问题的复杂性，但同时也为波操纵提供了更大的空间。弹性体波转换技术在医用超声和无损检测领域具有广阔的应用前景。然而，与透射型转换不同，反射弹性模态转换在分析和设计方面的探索较少，尽管它可能提供能量捕获和耗散的巨大可能性。在过去的十年中，弹性超材料被提出，其有效本构参数的不同组合产生了新的物理现象。由于其结构在宏观和微观尺度上的可设计性，巧妙设计的弹性超材料可以选择性地控制固体中的波传播和极化，即确保特定弹性波模式的传播，同时防止其它波分量的传播。
近日，北京理工大学先进结构技术研究院方岱宁院士团队提出了一个理论框架，构建弹性各向异性超表面，可以实现反射纵向-横向(L-to-T)和横向-纵向(T-to-L)波转换。研究人员利用多反射模式转换的机制，在水下环境中实现宽带、亚波长和近乎完美的吸声。对入射纵波或横波，系统地研究了超表面的反射散射特性。转换机理是基于反射法布里-珀罗(FP)共振，根据规定的超表面有效参数预测了反射法布里-珀罗共振的发生条件和特征。然后，建立了一个逆向设计框架来构思一个由粘弹性橡胶层和超表面构成的水下涂层系统。实现了一系列可定制模式转换的超表面，以实现宽带低频和高效率的水下吸声。具体而言，超薄橡胶-超表面层，其中超表面厚度约为λ/70，可以实现近100%的吸声。此外，该团队还证明了在-60°到60°的入射角范围内，能够以相当稳健的方式获得持久的高吸收(超过80%)。更重要的是，在相对带宽为119%的超宽带范围内，可以通过多种模式转换轻松实现超过75%的高效率吸声。揭示了复合FP共振的水下吸声机理，即FP共振决定了L-to-T和T-to-L的转换比，而橡胶-超表面层的FP共振增强了橡胶内部的波衰减。此外，作者表示在未来的工作中，需要研究考虑更多工程约束和应用的多功能反射超表面。为了追求宽带甚至超宽带特性，有必要对这类反射超表面进行系统的逆向设计。考虑斜波入射甚至全角特征将是向前迈出的重要一步。此外，将目前的理论与机器学习相结合，可能会实现弹性超表面的三维大规模设计，以获得更高级的波动特性和功能。该研究提出的反射多模式转换机制和超表面设计方法为一类具有潜在水下应用潜力的弹性波器件开辟了道路。相关研究工作发表在《Physical Review Applied》上。（丁雷）
文章链接：
Hao-Wen Dong, et al, Reflective Metasurfaces with Multiple Elastic Mode Conversions for Broadband Underwater Sound Absorption. Physical Review Applied(2022).
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.044013.
4.直接声音打印
尽管最近增材制造（AM）技术取得了重大进展，从打印材料到工艺，光和热仍然是AM中用于驱动聚合物化学反应或物理转化的唯一能源。因此，AM工艺中的材料仅限于光敏树脂，如立体光刻（SLA）或直接激光写入（DLW），以及热塑性长丝或粉末，如熔融沉积成型（FDM）或选择性激光烧结（SLS）。控制化学相互作用的参数由每个分子的能量、相互作用时间和压力定义。现有的AM能源、光和热，在控制参数方面没有利用化学的所有潜力，而声化学将这些参数推到了极限。在室温下被大量液体包围的活性空化泡内，异常高温（超过15000 K）、高压（超过1000 bar）以及快速加热和冷却速率（超过1012 K/s）是声化学反应的原因。如果有人能在AM工艺中释放声化学的潜力，一种非常规的打印方法将会出现，用常规能源打印传统的以及不可能打印的材料。这种材料的一个例子是热固化热固性聚合物。热固性树脂可以通过光学或热固化。通过基于光的AM方法，光固化热固性树脂的增材制造是可能的。然而，由于很难在较小的局部区域应用非常短的加热和冷却速率，因此尚未引入有效的热固化聚合物按需固化。声化学可以是打印此类材料的一种解决方案，因为它的局部温度高，加热和冷却速度快。声学辅助聚合已被广泛研究，然而，这些研究是在超声波浴或horn中进行的，缺乏高度聚焦的反应区域（类似于SLA或DLW中的激光束光斑）和高聚合率，而这对于3D打印来说却是必需的。
近日，来自加拿大蒙特利尔Concordia大学机械、工业和航空航天工程系、微纳米生物集成中心、光学生物微系统实验室的Mohsen Habibi等人展示了使用由聚焦超声直接产生的声空化结构的3D打印，它在高度局部化的空化区域中产生声化学反应。采用他们的方法，即直接声音打印（DSP），在热固化热固性聚（二甲基硅氧烷）中能够打印出孔隙率为零至不同孔隙率、特征尺寸为280 μm的复杂几何图形，迄今为止，任何方法都无法直接打印。他们还介绍了DSP的声化学发光、高速成像和过程表征实验以及远程打印等潜在应用。他们的方法使用超声波作为能量源，在AM中建立了一种替代路径。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）
文章链接：
Mohsen Habibi et al. Direct sound printing. Nature Communications (2022) 13:1800
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29395-1
5.具有拓扑刚性态的可锁定、可刚性平折的折纸超材料
折纸和剪纸是一种折叠和切割纸张的艺术，它启发了大量可重构材料和结构的发展，这些材料和结构可以在空间或平面展开。这些概念已经实现跨学科应用，从机械存储器、机器人硬件、热可调结构、多稳态设备、复杂3D几何以及可编程表面再到柔性电子等应用。折纸的折痕和剪纸的切割更是启发了具有独特几何和机械特性的机械超材料设计，如可重构性、平折叠性和双稳态辅助性等。近期热门的原位可编程折叠超材料，它利用折叠模式和运动几何形状之间的固有耦合，结合刚性折叠、平面折叠和承重性能设计多种折叠方式，以实现不同的功能。现有的折纸超材料具有一定的可编程性，但无法同时具备刚性折叠、平面折叠和沿展开方向的承重能力。具有多自由度的刚性可折叠材料要么是松软的，要么需要精确控制折叠顺序，这一特性严重限制了它们承受多向载荷的能力。
近日，加拿大麦吉尔大学机械工程系的Damiano Pasini研究团队融合了折纸和剪纸的概念，引入了一类拓扑结构的刚性可平折超材料，这些超材料可在原位重新编程，并沿多个反向重新设计，使得该结构部分可平折，部分是锁定的，并且后者在多个方向也可维持刚性态。他们设计的这种折痕图案，在平面中呈现蜂窝状，随后利用最少的堆叠层数，引导结构依照折痕进行折叠。此外，为了赋予其可重构性，在该超材料的折痕图案中引入了剪纸思维，由于结构单元间的面部接触，该超材料可以重新调整为其他几个平面可折叠且空间可锁定的折叠路径。这种设计思想具有拓扑结构和对称变换特征，极大地增强了原位可编程特性。该团队还提出了一个简单而有效的制造过程，可以很容易地实现自动化，使平面结构具有三维性，具有一定的实用意义。相关研究发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）
文章链接：
Jamalimehr, A., Mirzajanzadeh, M., Akbarzadeh, A. et al. Rigidly flat-foldable class of lockable origami-inspired metamaterials with topological stiff states. Nat Commun 13, 1816 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29484-1
6.具有多稳态密度和内能态的超流体
流体的热力学性质对能源和制冷循环至关重要，这些广泛而重要的循环是导致全球变暖的主要原因，尤其是制冷最近被列为污染最严重的单一技术（循环中使用了液体）。因此，创造一种具有特殊性质的流体具有非常重要的实际意义。多稳态结构是一类特殊的力学超构材料。超构材料是由微观级构建块组合而成的架构结构，通常以重复的模式排列。虽然由标准材料制成，但其构建块的几何形状可以产生独特的行为。如超构材料被设计为具有“负质量”，以操纵光波和应力波或提供超高的比刚度。多稳态超构材料具有针对规定负载的多种可能的平衡结构。这些亚稳态构型在每个机械单元（构造块）的状态下不同，这导致整体的变形场高度不均匀且非仿射。因此，通过仔细设计它们的构建模块，这些多稳定的结构可以“编程”，在外部刺激下发生形态变化。在各种规模上制造多稳定超构材料的能力，为隔振、超弹性行为、传感和驱动、软体机器人、可展开结构等一系列应用提供了令人振奋的可能性。
近日，以色列理工学院Ofek Peretz团队采用了类似构建多稳态力学超构材料的方法来创建多稳态超流体。超流体是一种人工悬浮液，包括标准流体和超构材料颗粒的混合物，经过工程设计，可产生天然流体中未发现的特性或行为。文章研究了“超流体”的压力-密度关系和稳定性，该流体由大量悬浮在液体中的多稳态充气胶囊组成。当前研究中使用的是多稳态胶囊，它多个连接的双稳态单元，由两个相反方向的不同圆锥截头体组合而成。因此，双稳态是通过一个截头体的倒置在展开和折叠状态之间切换来实现的，这会产生显着的体积变化。从理论上和实验上研究了悬浮液的内能、平衡压力-密度关系以及它们在绝热和等温过程中的稳定性。胶囊的弹性多重稳定性赋予流体多重稳定的热力学特性，包括在标准大气条件下捕获和储存能量的能力，这在天然可用流体中是不存在的。相关研究发表在《Nature Communications》上。（徐锐）
文章链接：
O. Peretz, E. Ben Abu, A. Zigelman, et al. A metafluid with multistable density and internal energy states[J]. Nature Communications, 2022, 13(1).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29048-3
7.基于杆件的蜂窝到壳索材料
蜂窝结构可以定义为随机或周期性蜂窝的集合，包括直/弯杆件、平/弯板或固体块。其应用范围越来越广，如轻质承重结构、能量吸收器、组织支架、传热和电池等。开发2D或3D阵列中可镶嵌的单元是设计周期性蜂窝结构的常用方法。根据单元的几何结构，通常被分类为杆件、多面体和壳结构。基于杆件的蜂窝材料由细长的杆件组成的网络，类似于天然的玻璃海绵的骨架。在拓扑上，它们的单元格包括3D空间中的一组顶点和边，其中每个顶点连接到三条或更多条边。尽管基础固体材料的弹塑性行为、杆件几何形状和它们的构型决定了这些蜂窝材料的结构性能，但它们在压缩中的力学性能通常受其细长构件的局部屈曲控制，特别是对于相对低的蜂窝材料密度。由于低密度蜂窝结构的有效性质在很大程度上取决于其底层结构，因此存在各种各样的显式和隐式技术来设计蜂窝几何结构。然而，这些技术中的大多数都无法呈现结构、内力和有效特性之间的相关性。
近日，加拿大麦吉尔大学Abdolhamid Akbarzadeh和美国宾夕法尼亚大学Masoud Akbarzadeh团队介绍了一种基于静力平衡、多面体框架平衡和形式和力互易性的替代设计策略。这种新方法揭示了桁架系统结构、拓扑对偶和基于3D图形静力学的力平衡之间的几何关系。该技术适用于在某些边界条件下设计周期性的基于杆件的蜂窝结构，并对其进行操作以构建具有各种力学性能的基于壳的蜂窝。通过将物化单元视为代表性体积单元（RVE），采用多尺度均匀化方法研究其有效线弹性特性。通过3D打印索状材料的实验测试验证，结果表明，通过使用所提出的方法、替代杆件物化方案和合理添加支撑杆件来操纵RVE拓扑，可以系统地构建蜂窝力学超构材料，以展示从弯曲到拉伸的特性，实现超流体行为，或创建新型混合外壳。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）
文章链接：
M. Akbari, A. Mirabolghasemi, M. Bolhassani, et al. Strut‐Based Cellular to Shellular Funicular Materials[J]. Advanced Functional Materials, 2022.
https://doi.org/10.1002/adfm.202109725
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