纳米材料新进展Advanced Materials：负泊松比纳米拉胀电浆材料

具有负泊松比的拉胀材料在自然界中是比较罕见的，当材料被纵向拉伸时，垂直于拉应力方向会发生膨胀，而不是发生通常的收缩，优异的力学特性使其可应用于防爆盾及粒子滤波领域。

近年来，几毫米到几十微米孔径大小的人造平面拉胀超材料已经有所进展。拉胀材料的制备过程由孔径决定，孔径不到100µm的拉胀材料可用显微技术加工，孔径不足10µm的拉胀材料可用激光刻蚀来实现，但是纳米级别的拉胀材料由于其分辨率的限制以及孔结构的复杂性，无法使用这些技术，使得纳米拉胀材料的制备倍显困难。

近日，英国南安普顿大学光电子研究中心的Joao Valente等使用纳米薄膜技术首次制备出了一种具有负泊松比的纳米电浆材料，该材料同时具有中红外纳米光学上电浆超材料的光学优势，还具有拉胀纳米材料的力学优势。以下是该文献图文解读：

图一 网状纳米线超材料的电镜扫描图片

图一表示的是通过力学刺激实现的具有负泊松比的纳米超材料结构，该超材料由氮化硅膜表面的金切割而成。显微操纵器的尖端（100nm）作用于支撑梁上的超材料(左上角)。这样的纳米超材料在红外光谱中表现出很强的电浆共振以及优异的拉胀力学性能。

图二 (a-d)表示了不同尺寸维数的超材料孔单元的伸缩特征(a、b)7µm×5µm (c)1.8µm×1.2µm (d)900 nm×600 nm

图二表示的是使用镓聚焦离子束（30keV）法，将50nm氮化硅薄膜表面的60nm厚的金电浆层蒸镀并沉积到蜂窝结构上，该结构y方向上由金覆盖的氮化硅薄膜所固定，在x方向上则是一个弹性支撑梁，使超材料在г方向上发生拉胀，并在x方向上伸缩。实验的应变控制在3%以内，当横向拉伸时，轴向扩展；横向挤压时，轴向收缩。他们的泊松比满足于：νnarrow = −0.51 ± 0.06 、νwide = −0.34 ± 0.09。

图三 (a)孔结构单元 (b，c)x，y应力扫描电镜图像

当w << d时，这个孔结构单元的泊松比接近于-1，而当w ≈ d/4 和w ≈ d/2时，泊松比会降低。由一个简单的矩形晶格单元电池材料衍射入射辐射的波长通常小于矩形单元的尺寸px和py。由于等离子体薄膜的存在，这种拉胀材料能体现出典型的超材料的电磁性能。金属微纳米结构的光学性质是由局部等离子体反应传导电子的耦合振荡和入射光引起的电磁近场所决定的。

图四 单元尺寸900 nm×600 nm的纳米拉胀材料模拟传导（黑色）和反射（红色）与光谱

纳米拉胀材料在870 nm的波长处具有一个狭窄的共振吸收（反射最小），这对应于一个非对称等离子体的激发，称为“被困”模式。这些反对称等离子体电流不能有效辐射，其辐射场在远场抵消，因此电磁能量被拉胀材料“困住”，这导致大约50%的电浆共振的丧失。在波长为970 nm时，材料成为高反射，这是一个强散射电偶极子模式所造成的。与此相反，在1630 nm波长（标记为C）的反射几乎完全消失，这是由于其纳米结构的非共振激发反对称所致。

图五 拉胀材料导和反射光谱(a)窄线宽孔结构7µm×5µm(b-d)宽线宽孔结构（b）7µm× 5µm （c） 1.8µm×1.2µm，（d） 900 nm×600 nm

图五表示所有拉胀材料中的衍射都具有相似的表面等离子体共振传导和反射方式，这些共振光谱的强度取决于等离子体孔结构的尺寸和以及金的介电常数。纳米拉胀材料所重构的太赫兹光子材料可调节纳米超材料的光学各向异性。这种小型化驱动结构可调节速度，有望达到纳米级千兆赫，与传统的可重构结构相比，该拉胀材料有更高的机械性能，如抗疲劳、抗压等。

总结：

具有负泊松比的纳米电浆拉胀超材料具有机械和电磁超材料的复合性能。该材料具有拉胀效应（轴向拉伸时纵向膨胀），并且在中红外光谱中能同时进行反射和传导。

该成果近期发表在Advanced Materials上，文献链接：Nano- and Micro-Auxetic Plasmonic Materials（Advanced Materials, 2016, DOI: 10.1002/adma.201600088）

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