磁驱软材料，让超材料活起来

来源：高分子科学前沿

超材料（Metamaterial），指拥有天然材料不具备的属性的人造材料，通常由周期性排列的单元构成。通过调整材料内部单元的结构形状、几何尺寸以及朝向，超材料可实现对光、声、电磁、机械响应等多种物理特性的控制，获得负介电常数、负泊松比等性质，在医疗设备，航空航天，新型能源等众多应用领域有巨大潜力。但目前相关研究中，超材料结构大多拥有固定的几何形状，或仅在机械加载下实现被动形变，因此单一材料系统实现的几何形状较为有限，从而限制了材料在物理特性上的可重构性。

近期，俄亥俄州立大学赵芮可教授团队和佐治亚理工学院齐航教授团队通过磁-机械耦合驱动（Coupled magneto-mechanical actuation），控制所施加的磁场方向、磁场幅值与机械载荷，展示了主动可控的磁性超材料结构。该超材料通过磁-机械耦合驱动实现多种结构形状的变形模式，并具有超宽可调机械刚度、泊松比、弹性波带隙等物理性质。通过利用近期开发的磁驱形状记忆高分子材料（Magnetic shape memory polymer）的模量温度相关性，研究进一步实现对物理性质的选择性局部调控（Local tunability）与全局调控（Global tunability）。研究成果近日以“Magneto ‐ Mechanical Metamaterials with Widely Tunable Mechanical Properties and Acoustic Bandgaps ”为题在线发表于《Advanced Functional Materials》。

超材料磁-机械耦合驱动原理如图1所示。当内部磁化方向（图1a白色箭头）与外加磁场方向不同，磁响应软材料会产生趋向于磁场方向的变形。当引入非对称接合（Asymmetric joint，图1a蓝色部分示意），在施加向下磁场时，两块磁驱软材料产生接触并实现向下弯曲模式（Bending mode）；在施加向上磁场时，两块磁驱软材料绕接合实现向上折叠模式（Folding mode）。基于此原理实现的超材料单元结构（图1b），可以在正反两种磁场下实现弯曲与折叠两种构型。当进一步施加机械压缩，磁驱单元结构打破四重对称性并产生双重对称性（图1c）。如图1d所示通过控制初始施加磁场大小与方向，超材料单元可实现在机械加载下的多变形模式分支（Deformation mode branching，图1d，视频1）。

图1：超材料单元的多变形模式分支

视频1

由以上单元组装而成的磁驱超材料阵列如图2所示。通过控制初始磁场大小（-50 mT至30 mT），材料阵列在水平方向的压缩下展现出不同模式与幅值的形变，实现多变形模式分支（视频2）。

图2：超材料阵列的多变形模式分支

视频2

伴随单元在弯曲模式与折叠模式之间的切换，磁活性超材料具备可切换符号泊松比与可控刚度的特性。在磁场驱动条件下，磁活性超材料的整体刚度在弯曲与折叠模式下均随磁场增大主动降低，且折叠模式展现出较低结构刚度。当进一步施加机械载荷，多变形模式分支帮助磁活性超材料实现超宽可调刚度的覆盖。

图3：磁活性超材料对泊松比与结构刚度的超宽可调性

同时，磁活性超材料在磁-机械耦合驱动下由于模式分支实现各形态大幅变形。根据Bloch波分析，材料可主动对带隙进行局部放大、缩小、生成或消除，防止特定频率的机械波传播（图4左）。此外，基于近期开发的磁驱形状记忆高分子材料（《先进材料》封面：磁驱形状记忆高分子——形状记忆与快速形变的完美结合 ），除利用磁-机械耦合驱动实现对带隙的局部调控（Local tunability），通过进一步改变温度实现对材料杨氏模量覆盖三个数量级的调节，磁活性超材料完成对物理性质的全局调控（Global tunability, 图4右）。

图4：磁活性超材料对带隙的局部与全局可调性

团队介绍

该工作由佐治亚理工学院软机敏材料力学和3D打印实验室（Laboratory for Mechanics of Soft Active Materials and 3D Printing）和俄亥俄州立大学软智能材料实验室（Soft Intelligent Materials Laboratory）共同完成。该工作的通讯作者为齐航教授和赵芮可教授，共同第一作者为佐治亚理工学院博士生S. Macrae Montgomery与俄亥俄州立大学博士生吴帅。文章的其他作者包括佐治亚理工学院博士后匡晓博士，Connor D. Armstrong，俄亥俄州立大学Cole Zemelk，张润东，博士后迮弃疾博士。