哈佛大学李姝聪/邓博磊Nature: 一滴溶液改变蜂窝微结构拓扑特性...
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发布时间：2024-04-16 16:18
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时间：2024-04-25 06:14
蜂窝材料结构的拓扑特性，比如节点的数量、联结度以及孔洞的数量和形状，能在很大程度上决定蜂窝材料的声学、电学、力学和光学等属性。正因如此人们可以通过改变蜂窝的几何结构(而不是其组成材料)来改变其整体属性，从而给材料设计提供更大的空间。然而现有的利用溶胀、电磁驱动、力学失稳等宏观力场来调控蜂窝结构形貌的方法，很难改变其上述拓扑特性。原因在于改变结构拓扑性质，一方面需要非常精细的局部力场在每个节点的周围精准地折叠、拉伸和组装每个壁，另一方面这类剧烈形变往往需要克服很大的结构阻力。
近日， 哈佛大学 Aizenberg组和Bertoldi组合作提出了 一种只用一滴液体就能快速稳定反复可逆地改变蜂窝微结构拓扑特性，从而进一步调控材料特性的方法 。该成果以Liquid-induced topological transformations of cellular microstructures为题发表在《 Nature 》上。本文的共同第一作者 李姝聪 和 邓博磊 均为哈佛大学在读博士生，本科分别毕业于清华大学化学系和浙江大学机械工程系。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03404-7
液体在蒸发时会在结构表面形成气液弯界面从而产生毛细力，一般情况下毛细力非常弱小不足以让固体结构发生变形。但如果结构非常柔性，就有可能被毛细力变形甚至组装。举一个生活中的例子，被水浸湿的头发之所以会粘成一股，是因为在柔弱的发丝之间的毛细力作用将它们粘连到了一起。利用这个原理，早期的科研工作者可以通过液体蒸发形成的毛细力，把基底上若干互相分离的微纳米细柱或薄板组装到一起，毛细力无孔不入的特性恰好提供了蜂窝结构拓扑变形所需要的精细复杂的局部力场，液体蒸发时在节点附近残留液体形成的气液界面，就好像一个个微型机器人精准地作用在每个壁面上。然而与柔软分立的细柱/薄板不同，蜂窝结构作为一个互联的整体结构，它的变形和组装需要克服大得多的阻力。
图1. 该团队提出的一种二重尺度共同作用的软化-组装-硬化的策略
为了解决这个问题，该团队提出了一种 二重尺度 共同作用的 软化-组装-硬化 的策略：加入的液体一方面在结构尺度（微米）形成大量气液界面，对结构施加局部毛细力；另一方面在分子尺度上通过溶胀其组成材料，实现高分子材料的暂时性软化（ 图1 ）。因为环境中的液体先于高分子材料里的液体蒸发，所以毛细力总是作用在被软化的结构上，这大大降低了变形过程中的阻力，让弱小的毛细力也能组装蜂窝结构并最终改变它的拓扑特性。在所有液体从环境和高分子材料内部蒸发掉后，材料又会硬化回最初的杨氏模量来保证稳定良好的力学性能。
为了测试该方法的可行性，该团队用微结构翻模的方法，制造了一块三角形网格的蜂窝微结构（边长100微米，深70微米）。当加入一滴溶液浸没结构后，溶液会渗入高分子材料并实现软化。随着液体的蒸发，软化的壁面被节点处产生的毛细力两两组装到一起，每个节点的联结度(node connectivity)从六条边变成了三条边，最初的三角形网格也被重组成了六边形网格。当液体完全蒸发后，被转化为六边形网格的蜂窝结构重新硬化回最初的硬度，整个过程仅耗时10秒左右（ 视频1 ）。相比于最初的微结构，组装后的结构在节点数量和联结度、孔洞的数量和大小以及壁面的厚度等结构属性方面都发生了改变（ 图2 ）。另外，组装后的结构无论是经过高温，还是一些溶液多日的浸泡，都能保持六边形构型，表现出了很强的稳定性。
视频1. 组装过程
图2. 三角形网格的微结构被一滴溶液被组装成六边形网格，实现了结构的拓扑变化
结构的高稳定性给解组装带来了一些挑战：一些能高度溶胀材料的溶液，能通过引入剧烈形变撕开组装在一起的壁面，使得结构回到最初的构型，但因为毛细力总是作用在被软化的结构上，溶液蒸发时该结构又将重新被组装起来。为了实现微结构的可逆拓扑变换，该团队巧妙地使用了双组分溶液来延缓毛细力的出现，使其作用于已经硬化的材料上，从而实现解组装（ 视频2 ， 图3 ）。该团队发现通过调整两种溶液的比例，可以精细地控制毛细力（结构尺度）和软化/硬化（分子尺度）之间的动力学作用，从而得到一系列其它丰富的微构型（ 图4 ）。
视频2. 解组装过程
图3. 运用双组份溶液解组装结构，组装后的六边形结构被转换回最初的三角形构型
图4. 除了六边形结构，通过调控双组份溶液的比例同一个三角形网格可以被转化成一系列不同的构型
该组装/解组装的机理不局限于特殊的材料化学组分，适用于多种高分子材料，并且可以与本身具有环境响应性的材料结合实现多重形变。除了三角形网格，该团队通过理论模型的预测设计，实现了几种更复杂网格结构的结构转化（ 图5 ）。
图5. 其他蜂窝微结构的拓扑变形
除了对材料和几何结构较好的普适性，该策略具有制造简单、结构变换快速、稳定、高度可重复等特点，具有很强的实用性和工业应用的潜力。该团队展示了一系列拓扑结构变换带来的潜在应用，包括信息的加密存储和读取，对颗粒、气泡的捕获和释放，以及对材料表面弹性、摩擦度、润湿性的调控等（ 图6 ）。
图6. 微结构的拓扑变形的部分潜在应用
最后，该团队还发现通过调整液滴的大小和位置，可以实现蜂窝结构的局部拓扑变换（ 图7 ），而这种方法可以进一步加强微结构变换的可控性和实用性。
图7. 结构拓扑变换的局部调控
同行点评 ：
南方 科技 大学 材料科学与工程系 于严淏教授: “材料功能变革的重要突破窗口之一是实现微结构，尤其是拓扑微结构的动态可调，但体系的高复杂度导致拓扑微结构调控十分困难，是新材料研发的重要挑战。该工作巧妙设计了溶剂溶胀和挥发在分子和微结构两个尺度上产生的耦合热力学和动力学过程，首次实现了系统可逆的拓扑微结构变换。难能可贵的是该方法可应用到多种材料和微结构中，为实现材料系统力、热、光、电、声等多方面功能突破提供了全新的普适性方法。”
犹他大学 波动力学超材料实验室主任 王派教授: “此次Aizenberg研究组发表的科研成果毋庸置疑是具有划时代意义的 。网格结构材料在现代工程中应用非常广泛, 丛几十米几百米级别的桥梁建筑，到微米纳米级别的芯片器件，无所不在。近年来为了实现网格结构的可变可控， 全世界的各顶尖科研院所都尝试了各种方法，也只能达到局部几何形状的微调渐变。这次研究终于实现了全局拓扑结构的突变，是从量变到质变的重大突破。并且在如此微观的尺度上发明了一个方便易行的实验方法，是了不起的创新。这项研究使用的多尺度联动效应，是一个当化学遇到了力学而迸发的激情火花，引出了一个美丽的罗曼蒂克，是跨学科研究的优秀范本，对其他各领域的科研工作也颇具参考借鉴价值。”
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
