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学术
2024-12-08 08:18
河南
机械超材料是一类具有人工设计结构的材料，因其能够展现出普通材料所不具备的奇特性质，如负泊松比、负刚度和弹性波带隙等，广泛应用于能量吸收、软体机器人、柔性电子学和压电传感器等领域。与传统材料相比，超材料的独特之处在于其通过精确设计的人工原子或构建块实现功能性，通过改变这些原子几何结构，能够创造出各种新型的机械超材料。然而，尽管这些材料展现出令人瞩目的性能，它们也面临着温度响应性、响应速度和驱动能力等方面的挑战。因此，如何在机械超材料中整合温度响应性、宽温度范围、快速响应和可编程性成为了当前研究的关键问题。近日，南京工业大学任鑫、香港大学陆洋教授、皇家墨尔本理工大学谢亿民教授等人合作在《Science Advances》上发表题为“Temperature-responsive metamaterials made of highly sensitive thermostat metal strips”的最新论文。该团队设计并制备了一种集成热控金属条带的超材料，并通过精确控制热应变，实现了超材料的显著形态变化。通过将热控金属条带与反向抗剪超材料（AAM）相结合，研究人员成功提升了该超材料的热变形能力，使其在加热5秒钟内就能达到设计应变的70%至80%。与传统的双金属材料相比，所组装的超材料的热应变高达约30%，这一性能比其他双金属超材料提高了100到200倍。热控金属条带的驱动能力也大大超越其自身重量，达到26倍以上。博士研究生张毅为论文第一作者。此外，利用该超材料的可编程热变形能力，研究团队还成功实现了可调带隙范围，从3847赫兹到40,000赫兹。通过这些创新设计，该团队显著提高了超材料在温度响应、热驱动、温度跨度和热灵敏度等方面的性能，为其在软体驱动器、软机器人、高超声速飞行器的振动隔离、噪声抑制和精密仪器中的独特热变形等应用提供了新的技术路径。1. 本研究首次将热控金属条带与反向抗剪超材料（AAM）结合，构建了具有高度热响应特性的温度响应型超材料。通过引入热控金属条带，赋予了超材料优异的热变形性能、快速的温度响应能力和广泛的工作温度范围。与其他温度响应型超材料相比，该超材料展现出了更加平衡和理想的性能。2. 实验结果表明，超材料在加热5秒钟后即可实现设计应变的70%至80%，并且所达到的热应变约为30%，明显优于传统双金属超材料的性能。此外，热控金属条带的驱动能力超出了其自重的26倍，展现出强大的热驱动潜力。实验还验证了超材料的快速响应性，证明其适用于需要快速热变形的应用场景。3. 通过充分利用热形态变化的可编程性，实验进一步研究了超材料在不同温度下的可调带隙特性。实验结果表明，该超材料能够实现3847至40,000赫兹范围内的带隙调节，展示了其在调节振动波传播方面的独特能力。图1. 具有独特热变形的组装超材料的设计概念与制造。本文的研究提供了一个创新的设计策略，通过引入热控金属条带构建温度响应型超材料，成功实现了优异的负泊松比行为和卓越的热响应特性。研究表明，热控金属条带能在广泛的温度范围内实现大幅度的形变，并且响应速度比传统材料（如形状记忆聚合物和液晶弹性体）更快。这种超材料不仅能够在不同温度下快速编程形状，还具有显著的驱动能力和超宽的可调带隙特性，具有广泛的应用潜力，尤其在软驱动器、振动隔离、智能热适应设备等领域。这一工作为未来超材料设计提供了新的思路，即通过替代超材料构件或折纸结构的铰链，采用经典的双金属条带来实现温度响应型形态变化，同时保留原有机械特性。此外，热膨胀系数差异在热响应性能中的关键作用，提示我们未来可以通过选择特殊合金，进一步优化超材料的温控性能。因此，探索更高和更低热膨胀系数的合金材料，可能是提升超材料热响应性能的重要方向。Yi Zhang et al. ,Temperature-responsive metamaterials made of highly sensitive thermostat metal strips.Sci. Adv.10,eads0892(2024).DOI:10.1126/sciadv.ads0892🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
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