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日本理化学研究所石田康博、王翔 Science:均质复合材料中的力学非互易性

日本理化学研究所石田康博、王翔 Science:均质复合材料中的力学非互易性 高分子科技
2023-05-26
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导读:使用了一种高分子水凝胶作为基质,并在其中嵌入了以一定角度倾斜排列的氧化石墨烯纳米片作为填料...
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在许多物理系统中,互易性法则确保信号以对称的方式传播。例如,当向右推一个底部固定的橡胶方块和向左推同一橡胶方块时,如果施加的力大小相同,橡胶块的形变程度也会相同(只是方向相反)。然而,当这种对称性被打破时,系统就呈现出非互易性。在过去的十年里,力学、光学、声学和量子力学等领域相继发展出了对应的非互易性系统,这些系统的独特不对称性极大地拓展了各自领域的研究范围和应用前景。近年来,机械力学研究中也出现了一些表现出非互易性响应的系统。这些非互易力学体系具有独特的性能,有潜力用于引导、阻尼和控制力学信号和能量。然而,到目前为止,力学的非互易性主要是通过复杂的宏观设计,例如机器人或超材料框架结构来实现的,这大大限制了这些系统的设计和应用。如何在微观尺度上构建非互易性力学结构,设计出具有本征力学非互易性的材料是该领域面临的重大挑战。

近日,由日本理化学研究所(RIKEN)新兴物质科学中心的联合研究小组,成功开发出一种具有本征力学非互易性能的凝胶材料(图1),这种材料具有区分外部施加力的左右方向并只在一个方向上变形的能力,能够将无序状态的机械能转变为有序状态,因此在物质分离、能量回收和生物行为控制等领域具有广泛应用前景。
 

1. 非互易力学响应凝胶及其应用。

研究人员使用了一种高分子水凝胶作为基质,并在其中嵌入了以一定角度倾斜排列的氧化石墨烯纳米片作为填料(图2)。当凝胶受到向左的剪切力时,纳米片会发生屈曲现象,使凝胶容易变形;而在向右的剪切力下则不会发生屈曲,从而使凝胶能有效抵抗形变。这种面对左右两个方向剪切力的不对称性造成了67倍的弹性模量差异,使得该凝胶的行为类似于“一个只能从中心向左摆动的钟摆”。因此,这种材料具备将随机振动转化为单向振动、在设定方向上输送物体以及使微小生物群朝设定方向运动的功能。
 

2. 非互易力学响应凝胶的设计和力学性能。

为了实际演示这种材料的功能,研究人员将凝胶放在一个振动平台上,从底部对其施加振动。由于凝胶材料具有不对称形变的特性,从底部输入的对称振动被转化为顶部的不对称振动。这种指定方向的不对称振动能够被用于驱动液滴的定向运输和圆盘的圆周运动。例如,当将运输方向指定为垂直向上时,可以观察到染色的液滴神奇的逆重力向上移动(图3)。
 

3. 非互易力学响应凝胶用于液滴的定向运输。


研究人员还发现,这种凝胶材料在受到局部压力时能够发生高度不对称的变形,从而对施压物体产生一个定向的作用力(图4)。因此,当一个小球自由落体到凝胶平面上时,反弹的方向会向固定方向产生偏移。这种不对称的形变和作用力也能被微小生物感受到,因此当研究人员将一群线虫放置于凝胶上时,这些小虫明显呈现出向特定方向迁移的趋势。
 

4. 非互易力学响应凝胶对局部压力的不对称变形。

该研究工作以“Mechanical nonreciprocity in a uniform composite material为题发表在Science2023, 380, 192-198)上,日本理化学研究所新兴物质科学中心的研究员王翔博士为第一作者兼共同通讯作者,另一通讯作者为课题组组长石田康博博士。


原文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1206#tab-contributors

PS: 文章全文可通过课题组主页获取。

链接为:https://soft-matter-riken.jp/publication-en/


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