夏晓星研究员Nat. Rev. Mater.：具有时空响应性的建构材料

一、【导读】

从古至今，材料的发展与社会的发展息息相关。材料科学的基本目标是通过可制造、可持续和经济的途径预测和创造具有不断改进的性能和新功能的材料。例如，建筑材料已经从石头、砖和木材演变为更坚固、更便宜的工程材料，如钢、塑料和钢筋混凝土，以及合成功能材料，如用于可伸缩体育场屋顶的轻质、耐用和半透明聚合物膜。材料科学的关键是了解材料在原子和分子水平上的微观结构与其性能之间的关系。这种理解可以引导在力学、计算和储能领域发生了改变世界的材料发现。

建构材料具有中尺度、微尺度甚至纳米尺度组件的结构设计成特定的空间排列，其发展引入了一种新的构造自由度，可以对不同于或超过其组成材料的属性进行编码。例如流体一样变形的固体，其剪切模量与体积模量比接近零，还有代表性的脆性陶瓷，它们在压缩时变形并恢复。制造技术的飞速发展，尤其是增材制造，使得材料组件可以在多个长度尺度上进行空间变化，从而能够合理设计具有增强性能和新颖功能的建构材料。建构材料正在材料性能领域中大量出现，如超低导热率，同时具有的低密度和高强度，它们通常具有负泊松比和机械隐形性等奇异属性，因此被称为“超材料”。

二、【成果掠影】

2022年6月20日，Nature Reviews Materials在线刊发了美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室夏晓星研究员（一作兼通讯）关于建构材料的综述，该综述描述了在空间和时间上构建的各种材料，以及它们对各种刺激的反应性，如机械运动、温度、化学环境的变化以及电磁场的变化。作者强调了可以精确定制复杂几何形状和局部不均匀性的增材制造方法，以使这种响应能力成为可能。同时，还讨论了在结构材料中观察到的，类似于经典材料的层展物理现象，如晶体缺陷的形成和行为、相变和拓扑保护特性。最后，作者还提供了通过机械逻辑和人工神经网络具有一定程度智能的建构材料的展望。

三、【核心创新点】

1、描述了在空间和时间上构建的各种材料，以及对各种刺激的响应，包括机械驱动、温度和化学环境的变化以及电磁场变化。

2、强调了增材制造方法，可以精确地规定复杂的几何形状和局部不均匀性，使上述响应成为可能。

3、讨论了在结构材料中观察到的类似于经典材料的层展物理现象，如晶体缺陷的形成和行为、相变和拓扑保护特性。

四、【论文掠影】

图一、具有定制机械响应和可重构性的建构材料

（a）压缩时弹性多孔固体的协调屈曲示意图。

（b）程序化模式形成体素化机械超材料。

（c）在与切割方向成γ角的拉伸载荷前后，kirigami基超材料的屈曲诱导结构转变的图示。

（d）可根据施加的机械应变将太赫兹波的偏振旋转不同程度的拉伸kirigami偏振调制器的图示。

（e）可重构单元格的力—位置曲线，其插入式不稳定性在卸载后保留了变形的几何形状。

（f）在弹性多稳定结构上进行压缩载荷实验的延时图像，该结构表现出自相似的逐层塌陷，并在卸载后保持其变形能力。

（g）基于模块化双稳态、三稳态和多稳态铰链的三维建筑材料重构。

（h）基于多面体空间填充细分数值分析的可重构棱柱结构。

（i）折纸启发的超材料的结构变化的图解和图像，由加压空气袋在选定的铰链处诱导。

（j）通过封闭包膜的外部加压来加固和重新配置链式结构示意图和图片。

（k）蜂窝式气动网络的示意图，该网络可通过四根加压管控制嵌入式气囊的充气来弯曲和拉长，以及基于蜂窝式气动网络的软机械臂打开抽屉的图像。

图二、温度响应形变的建构材料

（a）用四种不同的弹性模量和热膨胀系数的油墨配方直接打印的复合双层晶格的可编程形状变形。

（b）打印方向编码3D打印液晶弹性体（LCE）结构中的液晶畴排列，以便两个形状相似的圆盘在加热时可以变形为不同的3D结构。

（c）3D打印形状记忆聚合物（SMP）晶格的形状编程和恢复，以及聚合物网络微观结构在不同阶段的示意图。

（d）形状记忆聚合物支柱组成的张拉整体结构在两种形状恢复温度下的两步自组装结构。

（e）将聚合物微观结构和光吸收金纳米棒嵌入热响应水凝胶基质的混合体系的局部光热加热和结构转变。

图三、化学机械转化的建构材料

（a）在3D打印水凝胶复合材料中，通过编程打印方向排列的纤维素原纤维编码复杂的几何变换。

（b）附着在基底上的三角形胞状微结构在与丙酮接触时软化和膨胀，在溶剂蒸发时通过毛细管力转变为六边形结构，并在完全干燥后在持续转变的结构中重新硬化。

（c）可根据pH变化可逆折叠和展开的化学反应性双材料水凝胶微伞。

（d）图示和稳态化学机械反馈系统的代表性温度剖面图，该系统保持稳定的环境，防止外部扰动。

（e）电化学活性建构材料代表性驱动机制的图示。

（f）带有金属集电器、共轭聚合物致动器和电化学非活性结构组件的微型机器人可以通过电化学控制抓取和提起100 µm的玻璃珠。

（g）电化学可重构微晶格，由三维聚合物支架组成，该支架涂覆有薄层金属（集电器）和硅（活性材料）的结合涂层。

四、与电磁场相互作用的建构材料

（a）具有空间变化铁磁畴的3d打印弹性体在磁场作用下表现出复杂的形状变化。

（b）一种磁控制的六足结构，可以抓住、移动和释放小物体。

（c）一种由单域纳米磁铁阵列组成的变形微型机器，可以按照特定的开关磁场序列编程显示不同的字母。

（d）一种由集成光学传感器、微控制器和电池的低压叠层介质弹性体驱动器驱动的自主无限制快速软机器人昆虫。

（e）3D打印电结构产生不同的电压输出，以响应不同重量的自由落体冲击。

（f）具有空间分布读出电极的压电结构可以用作触觉映射的压力传感器。

（g）光敏材料中独特的机械响应示意图。

（h）组织工程软体机器鳐可以游动并跟随光线穿过障碍物；通过将分离的大鼠心肌细胞图案化到一个包裹金骨架的弹性体上而制备。

五、经典材料和建构材料之间的对比

（a）经典晶体材料中畴界和位错的示意图。

（b）与设计的完美晶格相比，具有制造缺陷的铝合金八隅体晶格的归一化杨氏模量下降的极坐标图。

（c）对具有1个和8个元晶粒的面心立方聚合物3D打印晶格的压缩应力和应变响应的对比，表明结构畴边界可以有效地阻止裂纹延伸。

（d）形状记忆合金在变形和温度变化驱动下奥氏体、变形马氏体和孪晶马氏体相变的晶体图示。

（e）当由宽度为L菱形细长铰链方形橡胶板构成的超材料在外部铰链处被局部压缩时，具有结构相关特征长度标度的基于旋转的结构逐渐衰减。

（f）在协同屈折的四方微晶格中，电化学诱导的重构过程中，施加的电流可以控制不同尺寸的双重变形域的统计分布。

（g）量子霍尔效应物理现象中受拓扑保护的电子边缘态的图解。

（h）弹性波在由三角形硅柱的六角形阵列组成的声子晶体中传播的拓扑保护边缘态，这类似于拓扑绝缘体中的边缘态电流。

（i）由自由铰链连接的刚性元件组成的变形kagome晶格中的拓扑缺陷允许在原本刚性的均衡晶格的内部进行局部运动。

六、具有新兴材料智能的响应式建构材料

（a）机械通用计算机——分析引擎的部分试验模型。

（b）“AND”门的条件臂的图示，它使分析引擎的微编程功能，如条件分支和循环成为可能。

（c）设计了一种由弯曲机制驱动，以机械变形为输入的3D打印机械逻辑门。

（d）插图和全光衍射神经网络的图像，该神经网络由多个衍射层组成，可以在计算机模拟中训练，以分类手写数字。

（e）用于光子神经网络的3D波导互连，与横条配置的2D网络相比具有伸缩性优势。

（f）生物神经网络与建构材料网络的复杂三维结构对比。

（g）生物突触和更新突触重量的人工突触之间的比较。

五、【前景展望】

本综述描述了各种响应性建构材料的当前进展，在空间和时间上构建的各种材料，以及对各种刺激的响应，包括机械驱动、温度和化学环境的变化以及电磁场变化，解释了它们独特的制备和驱动方法，并提供了它们潜在应用的示例。它们的结构可以有条件地改变，以应对不断变化的当地环境；例如，它们可以在特定的温度和/或pH值下释放药物。可以通过磁场、电场或光以短响应时间远程操纵电磁响应建构材料。电磁场的主动调制为这些材料提供了更复杂的时间轨迹，使它们能够执行远程指定的任务，例如拾取物体并将其传送到特定位置。在设计功能性响应材料时，具体目标为一个或多个激活机制提供了指导，这些激活机制将集成到建构设计中，以实现所需的时空响应。最后，作者还强调了增材制造方法，可以精确地规定复杂的几何形状和局部不均匀性，使这种响应成为可能。

文献链接：Responsive materials architected in space and time( Nat. Rev. Mater. 2022, DOI: 10.1038/s41578-022-00450-z)