哈工大冷勁松教授團隊《Adv. Funct. Mater.》: 4D打印可重構(gòu)像素力學(xué)超材料

來源：高分子科學(xué)前沿

力學(xué)超材料是由精細設(shè)計的微結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜人造結(jié)構(gòu),，在宏觀上展現(xiàn)出常規(guī)材料所不具備的力學(xué)性能,，如：拉脹、多穩(wěn)態(tài),、負(fù)熱膨脹和拉扭耦合變形等。力學(xué)超材料通常由周期性互連的微結(jié)構(gòu)排列構(gòu)成,，制約其變形能力和可維修性。此外,，超材料的宏觀力學(xué)性能受控于組成微結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型，意味超材料在制備后力學(xué)性能固定,，缺乏可重構(gòu)能力,。

針對上述問題,，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授課題組近日在《Adv. Funct. Mater.》上發(fā)表題為“4D Pixel Mechanical Metamaterials with Programmable and Reconfigurable Properties”的文章,。

像素力學(xué)超材料是由個體間非耦合約束變形的力學(xué)像素陣列構(gòu)成,。與屏幕通過改變像素點顏色調(diào)整圖像類似,，像素力學(xué)超材料通過改變力學(xué)像素的構(gòu)型和排布方式調(diào)節(jié)其宏觀力學(xué)性能,，提高了結(jié)構(gòu)的設(shè)計自由度,、結(jié)構(gòu)/力學(xué)性能的多樣性,、模塊化和可維修性。

受生物組織卷曲,、纏繞狀的膠原纖維啟發(fā),，將螺旋狀韌帶引入手性結(jié)構(gòu)中并結(jié)合4D打印技術(shù)，設(shè)計并制備了具有力學(xué)性能（非線性應(yīng)力-應(yīng)變、扭轉(zhuǎn)角-應(yīng)變行為）可調(diào)節(jié)和可重構(gòu)的拉扭耦合力學(xué)像素（圖1a）和像素力學(xué)超材料（圖1b）,。

圖1 （a）具有拉扭耦合變形特性的力學(xué)像素及（b）像素力學(xué)超材料,。

力學(xué)像素的微結(jié)構(gòu)由螺旋狀韌帶和立方體節(jié)點組成，根據(jù)韌帶與節(jié)點的連接方式可分為左手性和右手性模式（圖2a）,。微結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)（Lx/Ls,， Ly/Ls，L0/Ls,，Lω/Ls,，Rα/Ls，d0/Ls,，ω,，np）決定了力學(xué)像素的構(gòu)型和力學(xué)性能，為調(diào)節(jié)和設(shè)計力學(xué)像素的力學(xué)行為（應(yīng)力-應(yīng)變,、扭轉(zhuǎn)角-應(yīng)變行為）創(chuàng)造了機會,，并展現(xiàn)出輕質(zhì)特點（圖2b）。揭示了力學(xué)像素從彎曲主導(dǎo)變形模式轉(zhuǎn)變至拉伸主導(dǎo)變形模式的變形機理,，驗證了力學(xué)像素非線性力學(xué)行為的可重構(gòu)特性（圖2c~d）,。

圖2 （a）韌帶的不同手性模式，（b）力學(xué)像素具有輕質(zhì)特點,，（c）應(yīng)力-應(yīng)變曲線及（d）扭轉(zhuǎn)角-應(yīng)變曲線的可重構(gòu)特性,。

力學(xué)像素的扭轉(zhuǎn)角度和扭轉(zhuǎn)方向可以通過改變其幾何參數(shù)和手性模式進行調(diào)節(jié)。將具有不同手性模式的力學(xué)像素周期性排布,，制備成密碼傳遞裝置,。在拉伸變形下，密碼傳遞裝置中的每個力學(xué)像素產(chǎn)生不同方向的扭轉(zhuǎn)變形,，使信息“H”從加密狀態(tài)（圖3a）轉(zhuǎn)換至解密狀態(tài)（圖3b）,。此外，材料的形狀記憶特性可以使該裝置從解密狀態(tài)（圖3b）回復(fù)至加密狀態(tài)（圖3a）,。

圖3 密碼傳遞裝置:（a）加密狀態(tài)（b）解密狀態(tài),。

力學(xué)像素的韌帶構(gòu)型和節(jié)點間距為制備緩沖裝置創(chuàng)造了機會。利用材料的形狀記憶特性,，調(diào)節(jié)緩沖裝置中力學(xué)像素的構(gòu)型,，以實現(xiàn)裝置的不同緩沖效果。當(dāng)雞蛋在500mm的高度自由落體至編程的緩沖裝置時,，雞蛋立即破碎（圖4a）,。當(dāng)雞蛋在1000mm的高度掉落至未編程的緩沖裝置時，雞蛋仍能保持完整（圖4b）,。

圖4 雞蛋自由落體至緩沖裝置:（a）編程狀態(tài)（b）未編程狀態(tài),。

論文的第一作者為哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生辛?xí)灾�,，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授和劉立武教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金的大力支持,。
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論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107795