斯坦福赵芮可团队AM封面文章：磁力双层超材料用于声波调控

超材料（Metamaterials）是一类拥有天然材料所不具备特殊物理属性的人造材料。通过设计其周期性排列的结构单元，超材料能够表现出独特的力学、声学、光学以及电磁特性。一般来说，超材料的属性由其几何结构决定。传统的超材料具有固定的单元几何结构，因此其属性也是固定的，这在一定程度上限制了它们的应用性。为此，研究人员开发出了能够在受到外部刺激（如机械负载、热、电流或磁场）时，在预设的形状之间灵活变换的活性超材料。通过改变几何结构和密度分布等特性，活性超材料的力学、声学、光学或电磁性质可以实现可控调整。然而，这些形状变化通常涉及到每个单元的内部变形，也会改变超材料的局部密度和总体尺寸。如果超材料在驱动过程中总体尺寸发生显著变化，其本身的覆盖面积则会受到影响（视频1），这也会极大地限制超材料的实际应用。

最近，斯坦福大学赵芮可教授团队设计了一种新型双层磁驱动可重构超材料，可以通过改变内部结构的形状来调整其密度分布，同时保持总体尺寸不变（视频2）。这种保持面积不变的多模态形状重构可被进一步用作声学超材料，用于调节声波带隙和弹性波的传播（图1）。研究成果以《Magneto-Mechanical Bilayer Metamaterial with Global Area-Preserving Density Tunability for Acoustic Wave Regulation》为题发表于《Advanced Materials》杂志，并被选为封面文章且选入《Rising Stars》论文精选合集中。论文作者包括斯坦福大学博士生Jay Sim，吴帅，与戴继泽，论文通讯作者为赵芮可教授。

翻转式双层磁驱动可重构超材料

具体来说，此双层可重构超材料将一个翻转的单元放置在另一个单元上方（视频3）。由于上下两层的磁化方向相反，因此两层之间存在较强的相互吸引。同时，由于特殊设计的磁化分布，当施加磁场时，只有一层会发生折叠或驱动，而另一层的形状不会发生变化。例如，当上层折叠时，下层保持展开，上下两层之间的磁吸引限制了上层的总体尺寸变化，但允许其局部形状重构而总体尺寸保持不变。

此双层超材料可以通过调整磁场方向和大小而显示出四种不同的重构模式，所有模式也可以在磁场驱动下快速切换到其他模式。此外，通过有限元分析，四种不同模式间的声学带隙变化如图2所示。通过磁场激活，双层超材料展示出可靠控制的独特响应。由于其局部密度的变化而保持全局尺寸恒定的特性，以及无线可控的声学带隙特性，这种超材料可用于开发高度可调的滤波器。

分布贴片式双层磁驱动可重构超材料

通过将更小的顶层阵列（贴片）放置在底层阵列上，可以形成具有增强可编程性的双层结构（视频4）。这种设计通过控制顶层阵列（贴片）的位置、行数和列数，提供了灵活的调节超材料特性的手段。在所提供的示例中，有四种不同的贴片配置：2×2中心、4×4中心、2×2十字和2×8行，每种配置都有其独特的结构和布局，从而产生不同的声学性能（图3）。

同时，这些贴片可以通过改变其路径来改变弹性波的传播方向。例如，当在一个2×8的行贴片配置中施加450 Hz的激振时，振动将会沿着贴片路径以直线形式传播。而一个L形贴片可以让波产生90°转弯（视频5）。这就像在超材料中创造了一条波的“道路”，使振动在超材料中按照贴片路径的指示进行传播。这种波导效应扩展了超材料在声波控制和声学设备设计中的应用潜力。

偏移式双层磁驱动可重构超材料

"偏移"是文章中另一种双层磁驱动可重构超材料的设计方案：通过磁性吸引，具有相同磁化的两个阵列层吸引在一起时会自动轻微偏移。在向下的磁场作用下，两个单元都倾向于折叠成一个紧凑的形状。然而，由于两层之间的磁性相互作用带来的约束，阵列不能完全压缩（视频6）。在磁场驱动下，可重构超材料对应的可调声学特性在文章中也进行了讨论。

未来展望

为了解决可重构超材料驱动过程中总体尺寸发生显著变化，而影响其覆盖面积，研究中提出了三种双层结构设计策略：翻转式、贴片式和偏移式。翻转式利用其两层的独立驱动，实现了增强的形状变换、性质可调性和出色的面积保持性。贴片式极大地扩展了设计空间，并可以作为可重配置的波导。偏移式也显示出改善的面积保持性和性质可调性。这些双层磁驱动可重构超材料，为具有性质可控能力的新型二维超材料提供了巨大的潜力。它们的面积保持能力和在切换带隙模式时的超强调整性，使得它们在振动隔离，隐身以及波导领域有着实际的应用价值。

作者简介：

赵芮可教授团队软智能材料实验室（Soft Intelligent Materials Laboratory）近年来通过力学指导的新型磁驱软材料以及新型结构的结合设计，在磁驱软材料与器件制备、加工与多功能化取得系列进展，详情见报道。往期报道：会“体操”的折纸机器人，被Nature亮点报道；折纸，登上Science子刊封面！斯坦福大学赵芮可团队研发出狭窄空k间定向送药机器人；斯坦福赵芮可团队AIS：磁驱动可重构电磁滤波超材料；可伸缩、扭曲的万向仿生机械臂，有望实现远程无线操控手术；磁驱软材料连发AM封面：新型磁性动态高分子问世；《PNAS》折纸也能用来计算？；赵芮可教授/齐航教授合作《AFM》——磁驱软材料，让超材料活起来；《先进材料》封面：磁驱形状记忆高分子——形状记忆与快速形变的完美结合。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202303541

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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