超材料前沿研究一周精选 2021年2月23日-2021年2月28日

最先进的切割，折叠，弯曲和扭转平面物体成多用途的形状，称为 kirigami（剪纸）或origami（折纸，折纸不包括切割过程），最近出现了一种简单和自动化的三维(3D)制造方式。二维(2D)前驱体向复杂的三维结构的迷人转变使特殊的几何形状和功能得以实现，这引起了微电子机械系统(MEMS)、特殊力学、生物医学器件、声学材料、储能系统、微波超材料和太赫兹光谱等领域的巨大兴趣。特别是在微尺度/纳米尺度领域，kirigami/origami已经实现了巧妙的3D纳米制造，而不需要在传统的片上3D微制造中进行空间平移或多层堆叠。更重要的是，与介观结构的折纸相比，纳米尺度的折纸(又称纳米折纸)在激发光学共振方面是非常理想的，这为光学剪纸/折纸开辟了一条道路。例如，纳米kirigami和相关技术已被用于产生功能性光子纳米结构，如弹性广角光栅、Fano共振超材料、衍射超表面、环形超材料、可逆中红外开关、手性光学材料等。然而，传统的纳米Kirigami方法主要是基于悬浮发射膜、大跨度薄膜窗或弹性衬底，其中平台在大规模、均匀和可积的3D纳米制造中面临挑战，在现实世界的应用中很有价值。然而，在机电系统中，可重构单元的小型化和调制深度的提高（由空间位移决定）之间总是存在权衡，这将纳米光学机电系统的设计限制在只有少数选项（如超薄悬臂梁和膜），并使其对亚微米像素操纵具有很高的挑战性。

近日，来自北京理工大学物理学院的李家方教授团队和中国科学院物理研究所的李俊杰教授团队与美国麻省理工学院的Nicholas X. Fang教授团队演示了一种具有光学功能的片上和机电可重构纳米Kirigami技术。纳米机电系统是建立在Au/SiO2/Si芯片上的，其中顶部悬浮金图案与底部硅衬底之间的静电力驱动三维纳米螺旋变换。采用柔性纳米基利加米设计，分别在可见光和近红外波长下演示了宽带非共振和窄带共振光学重构。通过将纳米Kirigami单元缩小到亚微米尺寸，实现了高对比度的谐振光学重构。在近红外波长下，亚微米纳米剪纸也实现了光螺旋度的片上调制。相关工作发表在《Nature communications》上。(郑江坡)

文章链接： https://doi.org/10.1038/s41467-021-21565-x

“适者生存”是一个简单而有力的自然适应生物学概念。自然选择是物种适应其不断变化的环境的过程。通过自动改变其外观和功能，生物有机体或系统可以智能地感知周围环境并做出反应，以更好地生存和繁殖下一代。有趣的是，自然界的许多生物（如响尾蛇、吸血蝙蝠、撒哈拉白蚁、甲虫、蝴蝶等）都具有惊人的红外适应能力，它们能够主动地操纵自身的红外辐射，并能够感知外部的红外辐射，以达到通信、探测、伪装、热管理等目的。红外辐射通常被称为“热辐射”，受生物红外适应性的启发，人们广泛探索先进的红外适应性材料及其在多种红外技术中的实际应用，如通信技术、气候学、天文学、医疗保健等领域。随着先进红外传感技术的发展，红外伪装技术逐渐成为一种重要的红外隐身技术。红外传感和伪装技术在目标跟踪、自适应隐身等领域得到了广泛的应用。受到自然界生物的启发，研究人员致力于开发先进的红外自适应材料，并探索了它们在智能伪装、热管理、生物医学和许多其他与红外相关的技术领域中的应用。

近日，天津大学材料科学与工程学院王玲教授、封伟教授和美国肯特州立大学李全教授团队综述了仿生红外自适应材料的最新进展及其应用前景。目前还没有一篇综述将红外自适应材料这一蓬勃发展的话题放在单一的框架下论述。本文提供了最新的仿生红外自适应材料的发展，重点是光与物质的相互作用、基本现象和由此产生的技术应用。红外光与适应性材料的相互作用主要表现在两个方面：一、具有工程纳米结构的适应性材料可用于光学调制来自物体的太阳辐射或红外辐射（发射、反射、透射、吸收等），从而催生了先进的智能热伪装技术，可以隐藏目标，并为节能绿色建筑和个人热管理提供白天辐射冷却。二、远程红外光线，特别是无形的近红外光谱与上级组织穿透深度，可用于控制自适应材料分子的结构和功能超分子和宏观水平（自我检测组装、光化学、超分子纳米结构等），拥有巨大的潜力在不同领域如生物技术和软体机器人。文章首先介绍了近年来为红外伪装技术开发生物自适应材料的努力。根据Stefan‐Boltzmann定律，红外伪装可以通过发射工程或热隐身来实现。接着又讨论用于红外辐射冷却的生物自适应材料的发展。辐射冷却可以通过发展先进功能材料或纳米结构太阳能、优异的红外大气透明窗、拥有巨大的发展潜力的第二代能源高效绿色建筑和先进的智能个人热管理系统。另外，还展示了仿生自适应材料的近红外应用，包括近红外触发的生物技术、近红外光驱动的软机器人和近红外光驱动的超分子纳米系统。讨论了仿生红外自适应材料的基本设计和合成策略，重点讨论了它们的性能、机理和重要应用。最后，本文就仿生自适应材料、先进红外技术及其应用前景进行了展望。相关研究发表在《Advanced Materials》上。(徐锐)

文章链接：

Yang, X. Zhang, X. Zhang, et al. Beyond the Visible: Bioinspired Infrared Adaptive Materials. Advanced Materials, 2021.

https://doi.org/10.1002/adma.202004754

十多年来，完全控制光与物质相互作用的前景激发了人们对超材料的大量研究工作。通过将元胞组装成高度受控的结构，可以实现天然材料中难以实现的特征，例如负折射率。此外，已经有相干耦合的元胞诱导超材料中电磁感应的透明的实验证明。由于耗散过程通常被认为是负面的事情，因此，元胞的耗散损失通常被设计得比胞间的耦合强度小得多。但是，最新的研究结果表明，耗散可以在感兴趣的模式之间产生等效的相互作用，因此表明耗散实际上对操纵超材料中的波的传播行为是有益的。宏观上，可以使用非厄密的等效哈密顿量来描述耗散过程，其中有限的子空间（在封闭量子系统内部）可以与周围环境交换能量。非厄密系统的发展提供了对使用标准的厄密哈密顿量无法解决现象的新的理解。

近日，来自加拿大曼尼托巴大学的C.-M. Hu研究小组提出并证明了一种利用了耗散的非厄密超构材料系统，该系统通过耦合耗散实现了微波控制。研究者报告了在包含两个嵌入式谐振器的开放超材料结构中，在与反谐振（AR）相邻的连续体中的束缚态（BIC）的观察结果。 BIC最初是在量子系统中发现的，现在于各种各样的材料系统中被发现，例如水波和声学，光波导，光子晶体和拓扑态，在许多光学和光子应用中都发挥着重要作用。在这项工作中，研究者证明了耗散耦合谐振器中BIC的普遍存在，其中混合模式的固有线宽为零（或无限Q因子），伴有突然的π的相位跳变（因此为慢光）。此外，通过将BIC的频率与AR对准，可以实现从完全消光到统一传输的陡峭曲线，这为光学和微波感测和开关应用开辟了道路。相关研究发表在杂志《Physical Review Applied》上。（刘乐）

文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.L021003

焦深（DOF）和横向分辨率是成像系统的两个重要技术参数，决定了聚焦透镜的纵向和横向分辨率。传统的透镜都是通过光在介质材料中传播相位积累来获得理想的相位分布，连续的位相轮廓对透镜的表面曲率提出了严格的要求，这给透镜的制造带来了巨大的挑战。另外，体积大、形状不规则等因素也增加了系统集成的难度，限制了其进一步的实际应用。幸运的是，二维超表面由于其对电磁波前的灵活调节和较低的制造复杂性，在紧凑的空间光调制方面产生了相当大的进步。超透镜具有在亚波长尺度范围内对电磁波进行工程振幅、相位和偏振处理的能力，与传统透镜相比具有显著的优势。新型深自由度超透镜主要由环状分割、径向调制（RM）和角度调制（AM）三种方法实现。但这些方法在仅适用于小数值孔径（NA）的情况下具有内在的局限性，这反过来又损害了给定孔径尺寸的横向分辨率。

最近来自哈尔滨工业大学（Harbin Institute of Technology）的研究人员为了克服这一限制，提出并实验证明了一种双折射超透镜，实现了总散射场41λ的超深自由度，对应于从0.14到0.7的NA范围。同时，在这一范围内衍射限制的焦斑尺寸可以保证获得高分辨率的图像。此外，研究人员还提出了一种混合方法，该方法既利用了全息术在电磁场重建中的精度，又利用偏振复用技术实现了自由度的倍增。在两个正交偏振信道中，利用分层透射元原子对独立的相位分布进行编码，首次将广义散射矩阵与多极展开理论相结合，阐明了利用多层结构保持高透射率和扩大传输相位覆盖的机理。提出的超透镜为设计用于成像和探测应用的高分辨率深自由度系统提供了一种方案。文章以“Birefringent transmissive metalens with anultradeep depth of focus andhigh resolution”为题，发表在《Photonics Research》上。（鲁强兵）

文章链接：https://doi.org/10.1364/PRJ.414181

近十年来，拓扑概念对凝聚态物理和材料科学中的电子能带结构理论产生了深远的影响。从理论上提出了数千种拓扑电子材料，其中一些经过实验验证，如拓扑绝缘体、Dirac/Weyl半金属和节点线半金属。声子是晶格振动的能量量子，是电子的对应物。它们对许多物理性质做出了至关重要的贡献，如导热性、超导性、热电性以及比热。与拓扑电子性质类似，拓扑的关键定理和概念可以引入声子领域，称为拓扑声子(TPs)。特别是固体材料中的TPs也与一些特定的原子晶格振动相关，一般在太赫兹频率范围内，从而为研究各种与玻色子相关的准粒子提供了丰富的平台。

与拓扑电子材料不同，在拓扑声子材料中，人们只需要关注费米能级附近的能态，声子表现出几种不同的性质。迄今为止，大规模识别拓扑声子材料仍然具有挑战性，因为计算声子带色散比计算电子能带结构要昂贵得多。因此，与最近在拓扑电子材料中的工作相比，以高通量(HT)计算的方式寻找可行的拓扑声子材料肯定更困难。

近日，来自中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家实验室的陈星秋教授团队和美国内华达州大学的朱强教授团队提出了一个高效和完全自动化的工作流程，可以在大量固体材料中筛选拓扑声子交叉点。他们的结果表明，拓扑声子广泛存在于许多已知材料的声子光谱中，可分为两种主要类型的Weyl和节点线（环）TPS，并阐明了Weyl和节点线（环）TPS发生的物理机制。相关工作发表在《Nature communications》上。(郑江坡)

文章链接： https://doi.org/10.1038/s41467-021-21293-2

近十年来，散热一直是现代电子产品面临的一个关键技术挑战。随着信息技术在日益数字化的世界中迅速发展，电子设备冷却对全球能源消耗的影响也在迅速扩大。在从纳米晶体管、智能手机、笔记本电脑、车载电子设备到数据服务器场的所有分层电子系统中，废热通过多个器件层及其接口的一系列热阻从热点消散到散热器。结果，大的热阻和上升的热点温度会严重降低器件的性能、可靠性和能量效率。为了应对这一挑战，最近热管理的主要研究重点旨在开发热接口，以增强热耦合并最小化异质组件之间的热阻。一般来说，高性能热界面既要求高热导率(κ)，又要求低弹性模量(E)。当插入电子器件层和散热器之间时，高κ使热阻最小化并增强散热，低E使良好的表面顺应性、热接触面积和热机械稳定性成为可能。然而，目前的商用热界面通常受到约1 W/m K的低热导率或约为1 GPa的高弹性模量的限制，这在很大程度上限制了冷却性能。此外，可穿戴电子设备和软机器人等新兴应用要求其热接口柔软灵活，但仍有待探索。

近日，来自美国加州大学洛杉矶分校机械与航空航天工程系的Ying Cui等人首次报道了一种基于自组装制造的立方砷化硼(s-BAs)的超高性能热界面。通过在聚合物复合材料中合理设计BAs微晶，s-BAs表现出高达21 W/m K的高热导率和类似于低至100 kPa的生物软组织的优异弹性顺从性的非常理想的特性。此外，s-BAs表现出高灵活性，并在至少500个弯曲周期内保持高导电性，为灵活的热冷却开辟了新的应用机会。此外，他们展示了器件与功率发光二极管的集成，并测量了s-BAs超越当前技术水平的卓越冷却性能，热点温度降低高达45℃。总之，这项研究展示了新一代节能灵活热接口的可扩展制造，为未来集成电路的先进热管理和可穿戴电子和软机器人等新兴应用带来了巨大希望。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：Ying Cui et al. Flexible thermal interface based on self-assembled boron arsenide for high-performance thermal management. Nature Communications (2021) 12:1284

https://doi.org/10.1038/s41467-021-21531-7

力学适应性纳米复合材料的发展受到棘皮类动物的启发。海参可以在几秒钟内使其内真皮变形，从而赋予其基本的生存特征。自适应力学行为是由刚性、高纵横比的胶原纤维通过短暂的相互作用增强其柔软和粘弹性基质，并适当控制该基质组成的层次结构的内应力传递来实现。合成的力学变换材料包括热、光、电和化学反应性的软质材料，例如水凝胶，弹性体或半结晶树脂。尽管这些材料在接触时会显示出力学变化（有些显示出粘度/模量几个数量级的变化），但绝大多数表现出非常低的刚度（模量在kPa–MPa范围内）。当前，在GPa状态下具有高且可改变刚度的力学适应性材料受到极大限制。例如，受生物承载结构启发的受生物启发的高性能纳米复合材料是一种特殊的材料类别，将极大地受益于编码力学适应性。然而，在这种生物启发的纳米复合材料中安装可编程触发器并实现对外部信号的适应是非常困难的，因为最终必须通过软组件来维持适应性。

近日，德国弗莱堡大学高分子化学研究所、材料研究中心的Andreas Walther教授团队通过结合快速电热能传递级联来设计电适应性高增强的生物启发性纳米复合材料，从而允许使用低压直流电（DC）对力学性能进行可逆调节。受生物启发的纳米复合材料是通过将可持续的木质纤维素纳米纤维（CNF）与配备热可逆超分子基序的水溶性低Tg（=玻璃化转变温度）共聚物结合而成的。CNF具有极高的刚度（E=135-145GPa），对于可再生，可生物降解和多功能的应用非常有前景。热可逆的超分子连接的聚合物在焦耳加热期间经历有效的去交联，从而能够实现显著的性质变化。通过在生物启发的CNF /聚合物纳米复合材料上单壁碳纳米管（SWNT）的简单沉积和喷涂即可实现电热转化。他们表明，通过在膜上不同地连接电极图案，在空间上选择性施加电压可实现电可编程的力学变形图案。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）

文章链接：Jiao, D., Lossada, F., Guo, J. et al. Electrical switching of high-performance bioinspired nanocellulose nanocomposites. Nat Commun 12, 1312 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-21599-1

力学超构材料是一种人工材料，由周期性的微结构组成，可以展示出超越传统材料的力学性能。主要利用微观结构的空间运动、极端变形、多重平衡状态和形状变形来获得奇异的性质或功能，如零或负的泊松比、热膨胀系数和膨胀率，可编程的刚度、控制声波的传播和可定制的多稳态。可定制的多稳态性能在信息处理、可回收能量吸收和软体机器人系统中的应用正迅速引起人们的关注。多稳态力学超构材料旨在提供两个以上的稳定状态，可以在彼此之间进行可逆切换。这需要对能量格局进行精心的操纵，已经报道了几种策略，包括那些依赖于折纸/剪纸启发的设计、跳跃不稳定性、微结构软机制和几何失措。基于不稳定性的策略主要利用弹性梁能够在两种不同的稳定构型之间跳跃，从而产生双稳态的构件单元，并进一步扩展形成多稳定的超构材料。尽管取得了重要的进展，但是设计具有数千个稳定状态和精确定制的稳定状态的分层超构材料仍然具有挑战性。特别是，在开发可扩展的、三稳态的结构元件方面存在着大量的机遇，这些元件可以构建成具有极高数量（如>10⁴）的可编程稳定配置的多稳态力学超构材料。

近日，北京理工大学轻量化多功能复合材料与结构北京市重点实验室先进结构技术研究所方岱宁院士和清华大学航天航空学院工程力学系张一慧教授团队介绍了一类X形的剪纸微结构作为三稳态构造单元，可以按照自下而上的方案对其进行扩展，以实现具有成指数增加的稳态数的分层力学超构材料。与先前在多稳态力学超构材料的设计原理不同，三稳定性是由剪纸的微观结构的弹性拉伸/压缩不对称引起的。通过多材料3D打印技术实现并验证了1D圆柱、2D方格和3D立方/八面体的力学超构材料中可编程多重稳定性。由于在各个方向上独立控制的多重稳定性，在已开发的具有M×N个单元的二维多稳态力学超构材料中，其稳态数遵循3^M+N的指数规律。对基础力学的定量研究建立了X形剪纸微结构的几何形状与由此产生的能量分布之间的关系。独特的三稳态结构允许设计和演示基本的机械三元逻辑门，以及以前无法实现的复杂逻辑运算符。与二元逻辑门相比，三元/多值逻辑门可处理更多信息，可有效降低设计复杂度并加快串行算术运算速度。三元逻辑门在模糊逻辑电路、异步电路等中也具有独特的应用。此外，剪纸微结构的弹性拉伸/压缩不对称性和分层超构材料独立控制的三稳态特性，使振幅调制器能够滤除沿面内不同方向的低频振动。具有所需功能的不同面内方向，可用于噪声抑制和非线性通信领域。相关研究发表在《Science Advances》上。（徐锐）

文章链接：

H. Zhang, J. Wu, D. Fang, et al. Hierarchical mechanical metamaterials built with scalable tristable elements for ternary logic operation and amplitude modulation[J]. Science Advances, 2021, 7(9): eabf1966.

https://advances.sciencemag.org/content/7/9/eabf1966

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