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将圆圈变成正方形研究人员在微观尺度上重新配置材料拓扑配线架

2022-08-30 09:20:48  煎饼机械网

将圆圈变成正方形研究人员在微观尺度上重新配置材料拓扑

可重新配置的材料可以做令人惊奇的事情。平板变成一张脸。挤压的立方体会转变成数十种不同的形状中国建材网cnprofit.com。

但是,有一种事情,可重新配置的材料尚不能更改:其基础拓扑。具有100个单元格的可重新配置材料将始终具有100个单元格,即使这些单元格被拉伸或挤压了也是如此。

现在,哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员开发了一种在微尺度上改变细胞材料的基本拓扑的方法。这项研究发表在《自然》上。

艾米·史密斯·贝里尔森(Amy Smith Berylson)材料科学教授说:“创造能够动态改变其拓扑结构的细胞结构将为开发具有信息加密,选择性粒子捕获以及可调节的机械,化学和声学特性的活性材料带来新的机遇。”在SEAS任化学和化学生物学教授,也是该论文的高级作者。

研究人员利用了将头发弄湿时将头发束在一起的相同物理原理-毛细作用力。毛细作用力在柔软,顺滑的材料(例如我们的头发)上很好地起作用,但在需要弯曲,拉伸或折叠壁的坚硬细胞结构(特别是在坚固,相连的结点周围)时会产生挣扎。毛细作用力也是暂时的,材料在干燥后趋于恢复其原始形状。

为了开发一种持久而可逆的方法来转变刚性细胞微结构的拓扑结构,研究人员开发了一种两层动态策略。他们从具有三角形晶格拓扑结构的坚硬,聚合的细胞微结构开始,然后将其暴露于挥发性溶剂的液滴中,该液滴被选择用来在分子规模上溶胀和软化聚合物。

这使材料暂时更柔软,并且在这种柔软状态下,由蒸发液体施加的毛细作用力将三角形的边缘吸引在一起,从而改变了三角形之间的连接并将其转变为六边形。然后,随着溶剂的迅速蒸发,材料干燥并被捕集成新的形状,恢复了其刚度。整个过程只花了几秒钟。

艾森伯格实验室的研究生,论文的第一作者,第一作者李书聪说:“考虑应用时,在转换过程之后不损失材料的机械性能非常重要。” “在这里,我们证明了可以通过在重新配置阶段临时软化硬质材料开始,然后以硬质材料结束。”

这种材料的新拓扑结构非常耐用,可以承受热量,也可以在某些液体中浸没几天,而无需拆卸。对于希望使转换可逆的研究人员,它的鲁棒性实际上提出了一个问题。

为了返回原始拓扑,研究人员开发了一种将两种液体结合在一起的技术。第一种方法使晶格暂时膨胀,从而将六边形的粘附壁剥离,并使晶格恢复其原始的三角形结构。第二种挥发性较小的液体会延迟毛细作用力的出现,直到第一种液体蒸发并且材料恢复了刚度为止。以此方式,可以重复地组装和拆卸结构,并且以任何中间构造来捕获它们。

该论文的第一作者,该实验室的研究生Bolei Deng说:“为了将我们的方法扩展到任意晶格,建立连接细胞几何,材料刚度和毛细作用力的广义理论模型非常重要。” Katia Bertoldi,SEAS应用力学教授William和Ami Kuan Danoff。

在此模型的指导下,研究人员演示了各种晶格几何形状和响应材料的编程可逆拓扑转换,包括将圆形晶格转换为正方形。

研究人员探索了该研究的各种应用。例如,团队通过对三角形晶格的几何形状进行细微的,看不见的调整,将图案和设计编码到材料中。

李说:“您可以想象它将来会被用于信息加密,因为当材料处于未组装状态时,您将看不到它的图案。”

研究人员还展示了高度局部的转换,用一小滴液体组装和拆卸了晶格区域。此方法可用于调整材料的摩擦和润湿特性,更改其声学特性和机械弹性,甚至捕获颗粒和气泡。

贝尔特迪(Bertoldi)也是该论文的合著者,他说:“我们的策略可以应用于多种应用。” “我们可以将此方法应用于不同的材料,包括响应性材料,不同的几何形状和不同的比例,甚至是拓扑在设计可调谐光子超表面中起关键作用的纳米级。为此,设计空间很大。

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