哈工大冷勁松教授團隊《Adv. Funct. Mater.》: 4D打印可重構(gòu)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(jié)構(gòu)組成的復雜人造結(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(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(gòu)成。與屏幕通過改變像素點顏色調(diào)整圖像類似，像素力學超材料通過改變力學像素的構(gòu)型和排布方式調(diào)節(jié)其宏觀力學性能，提高了結(jié)構(gòu)的設計自由度、結(jié)構(gòu)/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(jié)構(gòu)中并結(jié)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(zhuǎn)角-應變行為）可調(diào)節(jié)和可重構(gòu)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(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）決定了力學像素的構(gòu)型和力學性能，為調(diào)節(jié)和設計力學像素的力學行為（應力-應變、扭轉(zhuǎn)角-應變行為）創(chuàng)造了機會，并展現(xiàn)出輕質(zhì)特點（圖2b）。揭示了力學像素從彎曲主導變形模式轉(zhuǎn)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(gòu)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(zhì)特點，（c）應力-應變曲線及（d）扭轉(zhuǎn)角-應變曲線的可重構(gòu)特性。

力學像素的扭轉(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(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(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)緩沖裝置中力學像素的構(gòu)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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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107795