作为一种前沿的多学科交叉研究领域，力学超材料/结构由一类通过人工微结构单元周期性排布形成，根据特定跨尺度的结构设计实现超常物理或力学性能，在材料科学、力学、物理学、机械工程、土木工程等研究领域受到了广泛关注。相比磁场、湿度、光照等激励响应超材料，温度变化是自然界最为常见的现象之一，因此研制温度响应超材料尤为重要。常见的温度响应材料包括形状记忆聚合物/合金、液晶弹性体、水凝胶、非常规膨胀的双材料等。热响应变形、热响应速度、可恢复性、热驱动性和适用温度范围等是评价热响应性能的重要指标。然而，现有的温度响应超材料仅能在某种单一指标上表现出优势，难以实现多种热响应性能的功能融合。
针对上述难题，南京工业大学任鑫教授团队联合皇家墨尔本理工大学谢亿民院士、香港大学陆洋教授报道了一类兼具高热应变、宽温度范围、快速热响应、高可恢复性和强驱动性能的新型温度响应超材料。该项研究工作将温度响应的热双金属与反手性多胞结构相结合，设计制备了二维和三维的温度响应超材料，研究了该超材料的热变形、热响应速度、驱动性能和适用温度范围等关键温度响应指标，进一步探究了具有主动调控功能的减振超材料和三维热响应超材料。结果表明，其热应变是已报道的双金属超材料的100余倍，实现了超宽的弹性波带隙调控范围，为激励响应超材料的设计开辟了新的思路和方向，在智能热驱动、可调控振动抑制和热应力匹配等方面有较好的应用前景。研究成果以“Temperature-responsive metamaterials made of highly sensitive thermostat metal strips”为题，发表在Science子刊《Science Advances》上。
研究团队将高敏感性热双金属条引入负泊松比手性多胞结构，采用装配的方式制备了二维和三维的温度响应超材料，研究了该超材料的热响应变形、热响应速度、可恢复性、热驱动性和适用温度范围等指标。在表现出负泊松比效应的同时，该结构实现了多种热响应性能的功能融合（图1）。
图1 热响应超材料的设计理念和制备。（a）超材料设计理念。（b）装配式超材料制备方法。（c）热响应指标对比。（d）负泊松比效应。
1. 热双金属条的热响应测试。研究人员通过温度试验和仿真，分析了热双金属条的面内和面外热变形能力、热驱动性能和热响应速度，证明了热双金属在大变形温度响应超材料的应用潜力。试验结果表明在5秒内即可实现总热应变的50%，抓取试验进一步验证了热双金属条的驱动性能（图2）。在150℃内可保持线性变形，金属的构造使其在500℃高温下依然保持热变形能力（此研究已试验验证了300℃下的热变形性能）；在热驱动性能方面，单根金属条即可驱动超过380倍自重的物体。
图2 热双金属条的驱动性能。（a）竖向抓取测试。（b）侧向抓取测试。（c）驱动力测试。
2. 反手性超材料热变形测试。研究人员制备了正热膨胀和负热膨胀的两种二维反手性超材料，加热温度由室温增加至300℃，研究结果表明随着温度的升高，两种超材料均表现出了较高的热变形，其中热膨胀应变可达29%，是现有双金属超材料热应变的100多倍（图3）。此外，当温度恢复至室温，超材料形状可完全恢复。利用此种热变形性能，研究人员制备了三维方形管状超材料，提出了热扭转和抓取功能的两种潜在应用。
图3 热响应超材料的热变形。（a）热膨胀变形。（b）热收缩变形。
3. 带隙可调控特性。基于此种非常规热响应变形，研究人员将超材料的热变形可编程性引入到局域共振型声子晶体的设计中，提出了一种温度主动操控的带隙可调控超材料。在不同的温度下，晶格几何构造和晶格常数的不同，使其在外部振动下，可产生不同频率范围的带隙分布。数值仿真结果表明，该超材料的带隙可调范围可连续覆盖3847~40000Hz（图4）。这种多物理场的响应能力在功能性热驱动、减振和极端温度等场景下均具有较好的应用前景。
图4 带隙的可调控性。（a）色散曲线和传输损耗对比。（b）带隙边界的振动模态。（c）带隙频率范围内外的减振对比。（d）带隙调控范围。（e）不同温度下的超材料晶格形状。
南京工业大学土木工程学院博士研究生张毅为文章第一作者，皇家墨尔本理工大学谢亿民院士、香港大学陆洋教授和南京工业大学任鑫教授为共同通讯作者，南京工业大学董军教授、浙江大学陈伟球教授和皇家墨尔本理工大学杨杰教授为论文的合作作者。研究工作受到了国家自然科学基金、澳大利亚研究理事会、香港研究资助局、江苏省自然科学基金、江苏省“青蓝工程”等项目的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.ads0892
审核：力学家
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