超材料前沿研究一周精选 2020年9月1日-2020年9月6日

无标记高分辨率组织形态相位成像

显微镜检查染色组织的结构和功能变化是检测和分级大多数人类癌症的标准方法。定量相位成像（QPI）作为一种成像方式，它结合了广域光学显微镜和干涉测量技术来揭示未标记、透明样品的结构。其基本原理是光波通过样品时，由于折射率的空间变化会引起相对相位的变化。但是QPI在实用过程中存在一些问题，如受到机械振动和空气密度波动的影响，这些波动会导致时间路径长度的变化并导致相位测量中的误差。为了提高成像的抗干扰能力，开发了公共路径QPI方法，这些方法在很大程度上消除了这些时间不稳定性对相位测量的影响。然而，常用的路径方法受到相位图像中光晕和阴影的挑战，这是一种与样品相关的效果，在样品边缘显示为负相位对比度，在大面积样品中心显示为对比度降低。另外，散斑噪声和散斑也面临着更大的挑战。

最近，来自伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign），罗切斯特大学（University of Rochester），波兰雅盖隆大学（Jagiellonian University）等单位的研究人员我们展示了组织切片的共聚焦QPI作为一种无标记的方法，在理论研究中，通过应用基于时域有限差分（FDTD）的虚拟成像系统，并将图像对比度与现有的QPI方法进行了比较，首次展示了共聚焦QPI的潜力。研究发现我们的共焦QPI图像没有光环，解决了QPI中常见的问题。与宽场QPI相比，共聚焦QPI在解决亚细胞特征方面的清晰度提高。共聚焦QPI有可能成为无标记疾病诊断的常用工具，而FDTD方法为QPI方法的诊断潜力提供了一个灵活的平台。文章以“High-resolution label-free imaging of tissue morphology with confocal phase microscopy”发表在Optica上。（鲁强兵）

文章链接：

https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-7-9-1173 

具有Malus辅助超表面的双通道二进制灰度图像显示

二进制图像在诸如书，文档，条形码和快速响应（QR）代码印刷品，微电子学中的光掩模等信息传输介质中起着重要作用。例如，采用由二进制图案组成的光掩模将设计的版图传输到半导体中集成电路过程中的材料。由于近来许多智能可穿戴设备（例如智能手表，智能服装，运动和健康检测设备以及虚拟现实（VR）和增强现实（AR）眼镜）都朝着多功能化和长续航能力发展，因此具有纳米级分辨率的光掩模非常受关注，希望使集成电路小型化。另外，一些用于防伪或加密的二进制图像打印件还满足超紧凑，易制造，高存储密度，良好的质量和先进的安全性以供进一步开发的紧迫要求。超表面是有希望的候选来构造灰度图像来面对这些挑战和要求。

由各向异性纳米结构组成的超构表面具有同时控制光的偏振和强度的能力，这为构造能够显示高分辨率和高可靠性灰度图像的多路复用设备铺平了道路。然而，先前的用于灰度图像显示的复用超构材料设备主要基于具有变化的几何形状和/或结构单元设计策略的纳米结构，这使超表面设计和制造都复杂化或降低了信息分辨率，近日，来自武汉大学的研究小组证明了可以通过单一尺寸的纳米结构设计方法简单地实现灰度图像复用。具体而言，通过配置银纳米砖的四步定向，可以建立两个独立的信息通道，以将不同的灰度图像存储到单个超表面中。研究者通过实验证明了Malus辅助的超构表面，它用作双通道灰度图像显示设备，可以记录两个独立的二进制灰度图像，而不会产生串扰。使用单一大小的设计策略，每个纳米砖都可以记录两个通道的信息，并且对于两个灰度图像，所提议的超构表面同时拥有每英寸84667点的超高信息密度。研究人员提出的超构表面具有纳米结构设计简单，超紧凑，高分辨率，宽带工作窗口和高安全性等优点，可在防伪，信息隐藏，信息多路复用，超紧凑图像显示，高密度光学存储，集成化等方面进行先进的研究和应用。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.14.034002

SnS和SnSe中声子色散的扩展非谐性塌陷

改善光伏和热电等可再生能源技术需要对构成其能量转换和热输运行为的原子过程有着更深入的了解，特别是，原子间势能表面中的非谐性是如何影响相稳定性和热传输的基础研究。SnS是用于太阳能电池和热电设备的合适材料，它在高温下表现出很强的非谐性和结构相变，因此非常适合研究非谐性的基本影响。其姊妹化合物SnSe近年来已成为研究最深入的热电材料之一，并创下了热电转换效率的记录，部分原因是其超低的热导率。然而，至关重要的是，我们对这两个系统的晶格动力学仍然知之甚少，尤其是在高温下，它们的晶体结构经历了与非常强的非谐性有关的结构相变，但其潜在机理仍存在争议。

近日，来自杜克大学机械工程与材料科学系的T. Lanigan-Atkins等人通过非弹性中子散射、高分辨率拉曼光谱和非谐性第一性原理模拟研究了SnS和SnSe中的晶格动力学和高温结构转变。他们发现整个低能声光分支在整个结构过渡过程中都得到了惊人的、极端的软化和重构，反映了结合强度和非谐性的强方向性。此外，他们的结果通过揭示影响热传输和热电效率的相变的软模机制，解决了先前的争议。他们对非谐声子重正态化的模拟超出了低阶扰动理论，并得到了惊人的效果。他们的结果表明大声子位移通过改变声子散射相空间和群速度直接影响热导率。这些结果对技术上的重要材料的相稳定性和热输运提供了详细的微观理解，为控制热电材料、光伏材料和其他需要热管理的材料中的声子传输方式提供了进一步的见解。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

T. Lanigan-Atkins et al. Extended anharmonic collapse of phonon dispersions in SnS and SnSe. Nature Communications (2020) 11:4430

https://doi.org/10.1038/s41467-020-18121-4

在生物系统中普遍采用脉冲变形来规避力与速度的权衡，并超过肌肉的力量极限。在这些系统中，生物将弹性能量存储在用作弹簧的组件中，然后在触发的后坐事件中释放该能量。例如，螳螂虾通过释放储存在外骨骼中的弹性能来驱动其附肢的快速运动（峰值速度为20m / s），无腿的幼体通过迅速释放弹性能量而缓慢跳跃，其跳跃体长是其体长的28倍。内部加压过程中，维纳斯捕蝇器将弹性能量的缓慢液压存储与捕捉飞行昆虫的快速不稳定相结合。这种生物系统中的脉冲形变是由装卸过程中的不对称引起的，在其中，弹性能量通过准静态条件存储，并通过快速，动态的后坐力迅速释放。这些自然的运动是通过材料特性和结构进行内在控制的。从射箭弓到抗体驱动的DNA纳米机，工程系统中已采用了类似的方法。但是，对于弹性反冲结构，仍然难以系统了解结构与材料特性的相互作用。

通过将弹性能量存储在准静态负载中并通过脉冲弹性回弹释放它，生物体可以避免力与速度之间的内在折衷，从而实现功率放大运动。然而，在加载和卸载时应变率的这种不对称性通常导致均质材料将弹性能转化为动能的效率降低。近日，来自马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究小组证明特定的内部结构设计可以提供独立调整准静态和高速后坐力的能力，以控制能量存储和转换过程。力学超材料的实验演示表明，在相同条件下，某些内部结构可以优化能量转换，远远超过非结构化材料。该结果为通过超材料的内部结构调整能量转换过程提供了第一个定量模型和实验证明。相关研究发表在杂志《Physical Review Letters》上。（刘乐）

文章链接：

https://doi.org/ 10.1103/PhysRevLett.125.108002

利用非对称双稳定性的动态折纸

折纸是一种起源于中国的古老艺术，在过去的十几年里，折纸受到了如数学家、材料学家、生物学家等研究人员的广泛关注，且对它产生了浓厚的兴趣。这种兴趣背后的关键驱动力是通过折叠一张简单的平板来开发三维形状且具有无限的可能性。折纸的运动学（或形状变换）非常丰富，这为构造可展开的航空航天结构、动力学结构、自动折叠机器人和紧凑型手术设备提供了诸多理想特性。折纸力学为构建具有独特特性的材料系统提供了一个框架，如动力学特性、可调的非线性刚度和理想的动态响应。此外，折纸原理是几何且与尺寸无关，因此它适用于不同尺寸的工程系统，从纳米级石墨烯片到米级的民用基础设施。

近日，美国克莱姆森大学机械工程系的Sahand Sadeghi通过利用共振激发、非对称双稳定性和主动控制的组合来研究一种快速且可逆的折纸折叠方法。其基本思想是，通过在共振频率处谐波激励双稳态折纸，可以诱导在不同稳定平衡之间的快速折叠，驱动幅度要比静态折叠小得多。为此，他们以双稳态水炸弹基座为原型，通过数值模拟和实验测试揭示了动态折叠的基本原理。如果水弹折纸最初稳定在“弱”稳定状态，则可以使用基本激发来诱发井内共振。结果，即使激发不停止，折纸也会折叠并保持在另一个“强”的稳定状态。另一方面，从“强”状态开始的折纸动力学则更为复杂。由于动态折叠行为、不对称势能垒、共振频率差和激励幅度之间存在非线性关系，水弹折纸更容易表现出井间振荡而不是单向开关。因此，他们提出了一种主动反馈控制策略，该策略在关键时刻切断基本激励输入，以实现从强稳定状态到弱状态的鲁棒和单向折叠。这项研究的结果可以应用于多种折纸，并为快速和可逆（自）折叠创造了一种新方法，从而推动了折纸在形状变形系统、自适应结构和可重构机器人等方面的应用。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。（徐锐）

文章链接：

SADEGHI S, LI S. Dynamic folding of origami by exploiting asymmetric bi-stability[J]. Extreme Mechanics Letters, 2020, 40.

https://doi.org/10.1016/j.eml.2020.100958

具有生物启发性和层次结构的形状记忆材料

在土木工程，航空航天，可穿戴技术和医疗设备领域中，形状记忆设备的需求不断增长，这激发了超常规金属合金原型的研究范围，并朝着设计更可定制的聚合物形状记忆材料的方向发展，这些材料具有更好的生物相容性和可生物降解性属性。目前尽管已报道了各种各样的系统，但是形状记忆聚合物材料缺乏长距离的分子有序性，从而无法实现更可控和有效的驱动机制，因此在所有空间尺度上控制分子水平上的致动机制空间组织仍然是一个挑战。

近日，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院Kevin Kit Parker团队开发了一种基于分层结构化角蛋白的系统，该系统具有响应水合作用的远程分子顺序和形状记忆特性。他们探索了角蛋白二级结构的亚稳态重构结构，即从α 螺旋向β 折叠的转变，以此作为驱动机制来设计一种高强度的形状记忆材料，该材料具有生物相容性并且可以通过纤维纺丝进行3D打印。并且该团队从动物毛中提取角蛋白原纤维，并使其受到剪切应力以诱导其自组织成为向列相，从而概括了蛋白质的天然层次组织。可以调整此自组装过程以创建具有所需各向异性结构和响应能力的材料。他们将自下而上组装和自上而下的制造相结合，可实现可伸缩地制造坚固，层次结构化的形状记忆纤维和3D打印支架，并有可能在生物工程和智能纺织品中应用。相关研究成果发表在《Nature Materials》上。（钟雨豪）

文章链接：

Cera,L. et al.A bioinspired and hierarchically structured shape-memory material.Nat. Mater.(2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-0789-2.

MoS₂光电探测器中的随机共振

随机共振（SR）是一种非凡的现象，与噪声是令人讨厌的传统观点相反，它显示了噪声在信息处理中的建设性作用。在SR中，当噪声强度达到某个有限且适当的水平时，嵌入在嘈杂环境中的传感系统可以检测到微弱的时变信号。SR的概念首先是在地球冰河时代的周期性复发的背景下提出的，随后被相关学者接受并应用于感觉神经生物学中，以解释一些动物成功进化的行为诱因。现在在很多物理系统中都可以观察到SR，包括双稳态环形激光器，光学外差，电子顺磁共振，超导量子干涉装置（SQUID）和隧道二极管等，但SR的强度在固态传感器应用较少。

近日，美国宾夕法尼亚大学材料科学与工程学院的Akhil Dodda团队利用SR原理设计出基于单层MoS₂的光电探测器，以超高的能量利用率来检测出远距离发光二极管（LED）的超低强度和其他一些传统方法难以检测的光信号。该团队证明，通过添加有限和最佳量的高斯白噪声，可以检测亚阈值LED照明（噪声可以在弱周期信号的源中，也可以通过片上噪声发生器从外部添加）。此外，他们还表明，可以利用SR的概念来扩展最先进的商用光电探测器（例如Si光电二极管）的检测极限。最后，我们表明MoS₂光电探测器（几纳焦耳）和硅光电二极管（几微焦耳）可以在极低的能量消耗下实现亚阈值信号检测，这体现了SR的能量优势。虽然该团队的SR展示主要涉及光电探测器，但SR的概念本质上是通用的，可以扩展到任何传感器。基于SR的传感器可以通过利用噪声在亚阈值信号检测中的建设性作用来标记与传统方法的范式转变。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。（钟雨豪）

文章链接：

Dodda, A. et al. Stochastic resonance in MoS₂ photodetector. Nat Commun 11, 4406 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-18195-0.

具有高功率和电压密度的Si_0.97Ge_0.03微电子热电发电机

近年来，各种物联网（IoT）应用的微型（总面积小于1 cm²）硅集成电路（IC）传感器和网络设备的开发引发了如何为此类IC提供可靠的、可持续电源的问题。目前的小型微电子热电发电机（µTEG）是一种在存在可靠的热梯度的地方为能源自主的IoT设备供电的潜在有效方法。当前热电（TE）技术的最新研究都集中在开发具有高TE品质因数ZT =（S²σ/κ）T的新材料，其中S，σ和κ是材料的热功率、电导率和导热率。然而，由高热电品质因数材料制成的片上集成所需的平方毫米面积的热电发电机无法产生使用常见温度差来运行Si电子产品所需的电压和功率水平。

近日，来自德克萨斯大学达拉斯分校的Ruchika Dhawan等人介绍了使用通过标准Si处理制成的Si_0.97Ge_0.03的微电子热电发电机，其高压和发电密度可与使用高品质因数材料的发电机相媲美甚至更好。这些基于Si的热电发生器的面积小于1 mm²，可以在室温附近（≤25 K）的温度差下为现成的传感器集成电路供电。这些发生器可以直接与Si电路集成在一起，并按比例放大以产生与现有热电技术相抗衡的电压和功率，但同时应该采用更具成本效益的方式。相关研究工作发表在《Nature Communications》上。（詹若男）

文章链接：

Ruchika Dhawan et al. Si_0.97Ge_0.03 microelectronic thermoelectric generators with high power and voltage densities. Nature Communications (2020) 11:4362

https://doi.org/10.1038/s41467-020-18122-3

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