电化学驱动新材料产生持久形变

纳米结构的超材料产生形变，显示出“加州理工学院”的logo。

虽然大多数可重构材料已经具备了在两种不同状态之间切换的性能，但据phys.org网站报道，美国加州理工学院、乔治亚理工学院和瑞士苏黎世联邦理工学院的联合研究团队已更进一步，在Julia R. Greer实验室开发了一种新型纳米构架超材料，它可以根据需求排列成复杂的周期性晶格或非周期性自定义结构，从而表现出不同的物理性质。该材料有望用于下一代能源储存和生物植入微型设备。相关研究成果发布于《自然》杂志。

大多数形变材料都需要持续的外部刺激才能产生形变，以及维持形变状态。例如，海绵在干燥时是一种状态，吸水之后才会膨胀。相比之下，Greer等开发的纳米材料是通过电化学驱动的硅锂合金产生形变的，这意味着它可以精细地表达任何“中间状态”，并且在移除刺激后保持形变结构。该材料的另一大优点在于，它的形变状态很容易逆转。

结构缺陷几乎存在于所有材料中，它对材料性能有很大影响。Greer团队选择利用缺陷来赋予材料新特性。加州理工学院研究生、论文第一作者Xiaoxing Xia说：“这项工作最有趣的地方是，我们利用了缺陷在动态响应架构材料中的关键作用。”

Greer等设计了一种覆硅晶格，其微观直线结构可在电化学激发下弯曲，进而具备独特的机械和振动特性。接着，Greer等使用超高分辨率的双光子光刻3D打印工艺制造了材料。利用这种工艺，他们能够在材料结构中按需构建缺陷。在测试实验中，Greer等利用这种材料制作了一张薄片，在电气控制下，它显示出了加州理工学院的logo。Greer说：“材料与人一样，正是这些不完美的缺陷让它们变得更加有趣。我一直对材料缺陷很感兴趣。Xia成功发现了不同类型的缺陷对超材料的影响，我们在此基础上设计出了特定图案，使其能在电化学刺激下显现。” 

Greer认为，超材料具有的精细可控的形变能力，在未来的储能系统中颇具应用潜质。它可以提供自适应储能途径：使电池变得更轻、更安全、寿命更长。某些电池材料在储能过程中会膨胀，反复膨胀、收缩产生的应力会造成材料机械性能退化。新材料的良好自适应性可以完美地应对类似的结构转换。

乔治亚理工学院航空航天工程学助理教授Claudio V. Di Leo总结说：“电化学活性超材料为开发新一代智能电池提供了新方向。我们正在开发计算工具来预测这种复杂的机电耦合行为。”

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编译：雷鑫宇 

审稿：alone  

责编：唐林芳 

期刊来源：《自然》

期刊编号：0028-0836

原文链接：

https://phys.org/news/2019-09-metamaterial-morphs-properties.html

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