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www.337.net:理化所深紫外零线性压缩材料研究取得
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www.337.net 1从上方压缩具有手性的三维弹性超材料导致其产生了扭曲(以及常见的轴向压缩和横向拉伸或膨胀)。最暗的橙色区域表示最高的扭转程度。 在普通弹性体中无法实现的扭转运动有助于设计复杂的机械结构。 图片来源:Science | 制图:C. Bickel

在各向均匀受压下,绝大多数材料会沿着所有方向发生收缩。然而,自然界中有一类材料违反了这个公认的物理常识,当各向均匀受压时,其沿某一特定方向却反常地保持材料尺寸不变,这类材料被称为零线性压缩材料。由于在不同的静水压力下,零线性压缩材料可以在特定方向上表现出高度的力学性能稳定,所以这类材料对于在大压力涨落等复杂环境中,提升精密仪器的应用稳定性具有重要的科学意义和研究价值。

各种各样人造材料和天然材料的应用支撑着人类社会的发展,人类社会发展的需求也不断促进着各种各样新型材料的诞生。为了拥有更坚固的住房,我们用更坚固的钢筋代替木材;为了飞机飞得更快,我们用更轻的碳纤维代替钢和铝合金。波音787的机翼就大量使用了碳纤维,而作为一名普通的乘客,你可能很难意识到这是怎样的巨大进步。现代科技的进步已经让我们对包括新材料在内的很多事情都感到稀松平常。

国际上对零线性压缩材料的探索主要集中在具有致密结构的超硬材料领域,目前,仅在极少数超硬材料中发现了这种反常的力学性质。与致密结构材料相比,非致密结构材料在数量和结构类型方面更为丰富,而且由于其相对开放的骨架结构,在应用方面更具有结构和性能的可调控性。

对新材料应用感到稀松平常的另一个原因,也许是这些材料仍然符合我们千百年来进化形成的直觉。这些新材料只是密度小点,韧性强些,耐腐蚀些嘛,也没有什么了不起。我拉伸它,它仍然会收缩变细;我用光照它,光在里面仍然要正常地折射;它密度低也低不了多少,力学性能可能还会变得很差。

近期,中国科学院理化技术研究所研究员林哲帅、博士姜兴兴等通过理论推导得到了非致密结构材料中零线性压缩现象发生的条件,建立了理论模型,提出具有类似中国传统木匠文化中“鲁班凳”结构特点的材料能够产生零线性压缩性。他们通过大规模结构搜索,利用北京同步辐射光源,发现并证实了首个具有非致密结构的零线性压缩材料AEB2O4 (AE=Ca 或 Sr),在静水压下沿着a轴方向的线性压缩率低于金刚石,且光学测量表明其透明区域达到深紫外光谱区(最短波长约170 nm)。结合AEB2O4的线性零压缩性质与良好的光学性能,对其在高压力涨落环境下应用的高精度光学传感器件进行了设计。相关研究结果近期发表在《先进材料》(Adv. Mater. 2018, 1801313)上,并被Advanced Science News作为highlight报道。

1987年,RODERIC LAKES发表了一项工作[1]。他研发了一类泡沫材料——如果你拉伸这种材料,它不但不会收缩变细,反而会膨胀。这颠覆了人们的认知。自此开始,更多具有奇特性质的材料被发现。这些材料有的在具有相似机械性能的条件下能比正常材料的密度低三个数量级[2];有的可以让光在其中向相反的方向折射[3]。正如人们把具有超能力的人称为超人一样,人们把这类具备反直觉的特殊性能的人造材料称为超材料(metamaterials)。科学家们为了探索更多的超材料实现千奇百怪的性能不断努力着。

近年来,林哲帅课题组致力于具有优秀光电功能的硼酸盐晶体的反常力学、反常热学性能方面的研究。在深紫外非线性光学晶体KBBF中发现了面负压缩性质(Adv. Mater. 2015, 27, 4851–4857; J. Appl. Phys. 2016, 119, 055901),在LiBeBO3和Zn4B6O13中分别发现了面负热膨胀和近零膨胀性质(Chem. Comm. 2014, 50, 13499; Adv. Mater. 2016, 28, 7936–7940; RSC Adv. 2017, 7, 2038–2043)。这些新奇物理性能的发现,有望提高光电功能材料在复杂或极端环境中的使用能力,有效拓展其应用范围和领域。

www.337.net 2能让光向相反的方向折射(负折射率)的材料示意。图片来自Wikipedia,制图:Jeffrey D. Wilson,翻译:蔡导

该项研究工作得到国家自然科学基金委(面上项目、青年基金项目和中俄合作项目)、科技部“863”项目、中科院青年创新促进会以及理化所所长基金的大力支持。

相比于超材料的膨胀和收缩,扭转似乎是一种更难发生的过程。如果材料发生了扭转,往往意味着材料存在手性,也就是材料中某些结构单元的镜像无法与其自身重合,就像人的左手和右手。

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科学家可以把上面提到的超材料堆叠起来,构造一系列精细的结构,让整个结构在宏观仍然表现出超材料才有的膨胀收缩性质,但是无论怎么膨胀收缩,结构整体并不会出现任何角度的变化。

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弹簧受到的力和形变成正比”。这从初中开始就耳熟能详的胡克定律自提出到现在,在350年的时间里如同一个魔咒笼罩在整个弹性力学之上。然而,随着机械加工技术的进步和学科的发展,近日,这一魔咒被打破了。

具有非致密“鲁班凳”结构的深紫外硼酸盐材料在静水压下表现出强烈的抗压性

刚刚发表在《科学》(Science)杂志上的一篇论文,正式揭示了一类随着压缩会产生扭转的超材料[4]。 作者通过大量的计算和优化,设计了一个独特的结构单元。这种结构单元与其他一般材料的结构有一个显著的不同,就是没有镜面对称性。也就是这种结构单元在镜子中的像无法与结构单元自身重合,而是变成了另一个方向,如同人的左手和右手。通过先进的三维激光微印制造技术,把不同数量的结构单元堆叠在一起就能加工出同样具有手性的整体新材料来。在压力的作用下,手性结构让这种新材料展现出了不对称的形变——因为环形结构对力的传导,受到挤压的结构单元并没有像常规材料那样向四周膨胀,而是发生了扭转。

www.337.net 4(A)常规材料压缩后将向四周膨胀。(B)新发现的超材料压缩后则会扭曲,(C)新超材料的结构单元不具备镜面对称性(D)其受力之后,不同位置的位移变化导致了上平面相对于底面发生了扭转。图片来源:参考文献[4]

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