今天我们继续为大家带来本周的超材料前沿研究精选，内容涉及相干非对称吸收体,具有交替泊松比的顺序超构材料,具有集成芯片衍射神经网络的空间高效光学计算等敬请期待！
索引：
1.具有集成芯片衍射神经网络的空间高效光学计算
利用光子硬件加速计算复杂矩阵向量乘法的光学神经网络（ONNs）具有超高带宽、高计算速度和高并行度等优势，优于电子计数器。随着数据处理技术和数据集规模的迅速增加，人们迫切需要具有超紧凑尺寸和低能耗的高度集成和可扩展的ONN硬件来克服人工神经网络中的资源瓶颈。传统的实验实现需要N2个单元，例如Mach-Zehnder干涉仪(MZI)用于输入维度N来实现典型的计算操作（卷积和矩阵乘法），导致可扩展性有限并消耗过多的功率。
文章链接：
H. H. Zhu et al. Space-efficient optical computingwith an integrated chip diffractive neural network. Nature Communications(2022) 13:1044
https://doi.org/10.1038/s41467-022-28702-0
2.相干非对称吸收体
设计超表面器件的第一步是确定与光源散射相对应的表面阻抗。对于不同的设计目标，超表面所需的特性可能不同，比如需要手性（偏振转换）、时间调制（频率转换或非互易响应）、空间调制（工程反射和折射方向）等特性。Floquet理论表明，在周期性空间调制的情况下，非特殊模式的可用性和传播方向由表面阻抗变化的周期决定。然而，镜面反射模式和可用非镜面反射模式之间的功率分布由表面阻抗变化的剖面决定。因此，空间调制超表面可以产生异常反射和折射、逆反射或不对称吸收等效应。对于微波领域，仅仅通过单个薄金属片阵列无法实现完美吸收或反向反射等多种功能。在这些情况下，超表面还必须携带磁性表面电流，这需要使用至少两个平行阵列。如果使用二次光源，相干超表面可以产生预期效果，且超表面薄片薄到可以忽略甚至不能激发磁电流。空间调制的超表面作为承载电和磁表面电流的有限尺寸层，可构建不对称吸收体
近日，芬兰阿尔托大学电子与纳米工程系的F.S. Cuesta等人提出了相干非对称吸收体的概念，通过改变相干光的入射角调节其吸收特性。以确定特征阻抗的非均匀薄片作为非对称吸收体，在两个平面相干光源照射下，当入射角变化时，光吸收从近乎完美变为非常小，并通过改变两个光源的振幅和相位来调节反射和吸收。此外，他们拓展了相干非对称吸收材料的两个应用：宽带非对称波导吸收材料和角位置传感器。通过在平行波导中放置一个相干的非对称吸收片，使其与波导壁等距，可以实现宽带吸收，而无需阻塞波导的横截面开口。最后，该团队研究了具有相同入射角的两束光在完全相干照射下实现的吸收与其他类型光照射之间的显著差异，并证明该超表面能够以极高的精度检测物体的角位移。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.024066
3 具有交替泊松比的顺序超构材料
拉胀（负泊松比）行为在天然材料中很少出现，而通过结构设计可以实现这一特殊行为。与传统正泊松比材料不同，拉胀材料在拉伸时横向膨胀、压缩时横向收缩。许多2D、3D力学超构材料被设计以满足众多应用的需求，如医疗应用中的髋关节置换植入物、智能绷带，结构应用中的抗压痕材料、自锚紧固件和螺钉以及响应特定载荷形状适应材料。此外，还有高度可调声子带隙材料、提高致动器和传感器灵敏度的传输材料和变色材料。虽然已经提出了大量的工程泊松比超构材料设计，但该领域仍有大量创新。其中一些创新包括结合屈曲、折纸和剪纸来实现要求越来越高的泊松比行为。尽管目前存在的设计可以实现泊松比随变形幅度的函数逐渐增加或减少，但是当沿单个不变方向加载时，没有设计可以通过交替正负泊松比来突然改变其横向变形的方向。此外，没有设计可以实现沿晶格几何空间变化的泊松比，同时还能以所需的时间顺序交替。
近日，美国加州大学洛杉矶分校Jonathan B. Hopkins团队实现了用户指定的交替泊松比超构材料。其中的灵感来自于负泊松比蜂窝的内向梁和正泊松比常规蜂窝的外向梁。每个蜂窝单元的不同方面来产生独特的超构材料设计，其泊松比可以作为负载应变的函数交替变化。当受到稳定的负载应变时，该设计能够突然改变其泊松比。通过调整定义这些自接触物体以及连接它们的梁的几何参数，这些物体将以特定的时间顺序发生位移和碰撞，从而导致体晶格的所需波动泊松比。尽管通过自接触块和不同刚度的柔性元件实现的时间顺序变形的概念以前已被应用于实现顺序折叠的超构材料，但这项工作独特目的是实现具有交替泊松比的超构材料。这里提供了MATLAB工具来设计这种超构材料，以便它们对给定的应变输入负载实现所需的交替泊松比响应。该工具的理论使用有限元分析进行验证，并使用从宏观2D单元收集的实验测量结果进行验证。介绍并演示了将不同行的相同单元设计串联堆叠以实现泊松比，该泊松比在时间和空间上沿所得渐变材料的晶格交替。最后，在微观尺度上引入、制造和测试设计的3D结构。相关研究发表在《Nature Communications》上。（徐锐）
4.高强度、轻质超构材料的剪纸设计和建模
折纸和剪纸作为设计可展结构、轻质超构材料和可重构机器人的一种方式，正受到科学家和工程师的关注。目前，大多数剪纸设计专注于形状变形，但很少关注它们可以产生的显著力学性能：高比强度，可以承受数千倍于自身重量的重量。要将剪纸超构材料转化为任意物体，挑战在于如何自动设计剪纸折叠以近似物体的轮廓。为了设计一种可以转化为复杂物体的坚固的剪纸超构材料，关键的挑战是（1）为坚固、轻质的超构材料发明一种单胞的剪纸图案，包括折叠、切割和折叠方向的空间分布；（2）开发一种算法，将所提出的剪纸超构材料自动转换为平面和弯曲的2D和3D表面；（3）设计无胶连接器，在折叠后锁定并置切口，确保高强度。
近日，瑞士联邦理工学院Jamie Paik团队提出了一种基于剪纸、坚固且轻质的超构材料，它是通过折叠带有方块的棋盘图案的弹出式和下拉式来创建的。并提出了一种基于将离散对象部署到平面板上的计算模型。此外，为了实现高强度，设计了一种无胶连接器，可以将并置切口锁定在折叠结构中。标准压缩测试表明，这种剪纸超构材料重12.05 g，可承载346.4N的有效载荷。同时，对六个曲面示例进行了原型设计，以验证所提出的剪纸超构材料的形状转换能力。这项研究为在工业应用中使用剪纸技术减轻重量铺平了道路。相关研究发表在《Advanced Functional Materials》上。（徐锐）
5.通过空间群速度裁剪的可编程彩虹捕获和带隙增强的弹性超材料
当波在传播过程中变慢，直到根据其频率在不同的空间位置停止时，就会观察到“彩虹捕获”效应。基于此原理，波导管可以在特定位置存储光。这一现象和由此产生的动力学激发了研究人员在声波和弹性波中研究和实现彩虹捕获效应。超材料是一种从小尺寸单元中获得异常物理特性的结构，是实现彩虹捕获的理想平台。超材料表现出负有效密度、负刚度和负弹性模量弹性固体的“流体状”等特性。此外，超材料可以通过逐渐改变其组成单元的特性来改变局域波的传播速度。通常，有两种广泛使用的机制可以在超材料和超结构中引入这种分级：1.逐渐改变单元中谐振元件的特定特性；2.使用具有不同折射率的分级对比料。梯度局域共振超材料由局域共振单元组成，这些单元的梯度变化表现出如波捕获、增强波调控和波模式转换等有趣现象。在现有研究中，具有线性变化单元的梯度超材料受到了广泛关注。
近日，美国乔治亚理工学院机械工程系的MustafaAlshaqaq等人通过数值和实验研究了利用梯度压电超材料梁实现空间可编程彩虹捕获和带隙增强，并将单元分流到合成阻抗电路中。每个单元的局部电感并联谐振频率不同，并且随板长改变而引发空间的变化。他们探讨了不同坡度剖面对空间声捕获和衰减带宽的影响，并在固定的超材料板上进行实验，29个压电元件被分流到电感渐变的合成阻抗电路中。结果表明，在覆盖所有单元共振频率的频带上，可以沿板均匀或非均匀地捕获传播过程中的弹性波，并且空间捕获模式依照各自的目标频率分布，与同类型的谐振器相比，其带隙显著增强（高达75%）。总之，该研究展示了这类梯度压电超材料的多功能性，并支持可编程压电的结构设计。相关研究成果发表在《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.L021003
6.通过热传导效应增强水力发电
自然水是最丰富的资源，覆盖地球表面70%以上，蒸发是水循环的重要组成部分。由于水蒸发的自发性和普遍性，近年来，由水蒸发驱动的水力发电（HGs）得到了广泛的发展。然而，受限的环境温度和缓慢的热量补充限制了水的蒸发速率，从而限制了HGs的性能。特别是，蒸发过程中水分子相变过程中的能量消耗所引起的热梯度长期以来一直被忽视，但这意味着获取环境中能量的宝贵机会。柔性热电材料可能为突破HGs的这些限制提供了可能性。柔性热电材料的相容性和热传导特性为柔性热电材料与柔性HG的结合提供了提高性能的基础，但热传导匹配和界面匹配仍然是一个挑战。在材料方面，导电聚合物和有机/无机杂化材料是两种主要的柔性热电材料，它们能够将热直接转化为电，并将其均匀地附着在弯曲热源上，如人体等，因此备受关注。目前对柔性热电材料的研究主要集中在高性能材料和器件的制备，并且最近开发了一系列高性能热电发电机(TGs)。然而，柔性热电材料由于热传导而产生的热损失和稀疏的可用热梯度源实际上是TGs发展的严重障碍。
https://doi.org/10.1038/s41467-022-28689-8
7.一种图像不失真的拉胀型柔性显示器
通过变形的手法和拓扑设计来改变目标对象的性质、形式，呈现出所需要表现的功能状态仍然是材料科学的一些主要挑战。随着增材制造的出现，从微观尺度到宏观尺度的各种柔性超材料作为一种的功能型超材料（例如：力学超构材料、声学超构材料）已广泛应用于柔性可穿戴电子和智能系统、软体机器人等前沿研究。柔性电子器件在服役过程中往往要与任意不可展曲面(如人体表面)动态贴合。由于皮肤发生拉伸、弯曲、扭转和褶皱，柔性电子器件极易在这种复杂循环应力状态和极端变形状态下损坏。另外，现有的柔性电子显示器拉伸变形过程中往往会导致显示图像的变形与失真，极大的限制了柔性电子显示器件的使用和功能特性。此外，在实际应用场景中，研究人员也迫切希望可以精准的操控可重构的结构实现柔性电子显示器在目标状态下的显示功能特性。因此，如何实现柔性功能电子显示器件在功能状态区域的鲁棒性、可重构仍然是一个挑战。
https://doi.org/10.1002/adfm.202113299
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