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

來源：高分子科學前沿

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

針對上述問題，哈爾濱工業(yè)大學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。

像素力學超材料是由個體間非耦合約束變形的力學像素陣列構成。與屏幕通過改變像素點顏色調整圖像類似，像素力學超材料通過改變力學像素的構型和排布方式調節(jié)其宏觀力學性能，提高了結構的設計自由度、結構/力學性能的多樣性、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構中并結合4D打印技術，設計并制備了具有力學性能（非線性應力-應變、扭轉角-應變行為）可調節(jié)和可重構的拉扭耦合力學像素（圖1a）和像素力學超材料（圖1b）。

圖1 （a）具有拉扭耦合變形特性的力學像素及（b）像素力學超材料。

力學像素的微結構由螺旋狀韌帶和立方體節(jié)點組成，根據韌帶與節(jié)點的連接方式可分為左手性和右手性模式（圖2a）。微結構的幾何參數（Lx/Ls， Ly/Ls，L0/Ls，Lω/Ls，Rα/Ls，d0/Ls，ω，np）決定了力學像素的構型和力學性能，為調節(jié)和設計力學像素的力學行為（應力-應變、扭轉角-應變行為）創(chuàng)造了機會，并展現(xiàn)出輕質特點（圖2b）。揭示了力學像素從彎曲主導變形模式轉變至拉伸主導變形模式的變形機理，驗證了力學像素非線性力學行為的可重構特性（圖2c~d）。

圖2 （a）韌帶的不同手性模式，（b）力學像素具有輕質特點，（c）應力-應變曲線及（d）扭轉角-應變曲線的可重構特性。

力學像素的扭轉角度和扭轉方向可以通過改變其幾何參數和手性模式進行調節(jié)。將具有不同手性模式的力學像素周期性排布，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像素產生不同方向的扭轉變形，使信息“H”從加密狀態(tài)（圖3a）轉換至解密狀態(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)。

力學像素的韌帶構型和節(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，調節(jié)緩沖裝置中力學像素的構型，以實現(xiàn)裝置的不同緩沖效果。當雞蛋在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)大學博士生辛曉洲，哈爾濱工業(yè)大學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基金的大力支持。
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論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107795