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日本理化學(xué)研究所石田康博、王翔 Science：均質(zhì)復(fù)合材料中的力學(xué)非互易性
2023-05-26  來源：高分子科技

  在許多物理系統(tǒng)中，互易性法則確保信號(hào)以對(duì)稱的方式傳播。例如，當(dāng)向右推一個(gè)底部固定的橡膠方塊和向左推同一橡膠方塊時(shí)，如果施加的力大小相同，橡膠塊的形變程度也會(huì)相同（只是方向相反）。然而，當(dāng)這種對(duì)稱性被打破時(shí)，系統(tǒng)就呈現(xiàn)出非互易性。在過去的十年里，力學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)和量子力學(xué)等領(lǐng)域相繼發(fā)展出了對(duì)應(yīng)的非互易性系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的獨(dú)特不對(duì)稱性極大地拓展了各自領(lǐng)域的研究范圍和應(yīng)用前景。近年來，機(jī)械力學(xué)研究中也出現(xiàn)了一些表現(xiàn)出非互易性響應(yīng)的系統(tǒng)。這些非互易力學(xué)體系具有獨(dú)特的性能，有潛力用于引導(dǎo)、阻尼和控制力學(xué)信號(hào)和能量。然而，到目前為止，力學(xué)的非互易性主要是通過復(fù)雜的宏觀設(shè)計(jì)，例如機(jī)器人或超材料框架結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，這大大限制了這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。如何在微觀尺度上構(gòu)建非互易性力學(xué)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出具有本征力學(xué)非互易性的材料是該領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。


  近日，由日本理化學(xué)研究所（RIKEN）新興物質(zhì)科學(xué)中心的聯(lián)合研究小組，成功開發(fā)出一種具有本征力學(xué)非互易性能的凝膠材料（圖1），這種材料具有區(qū)分外部施加力的左右方向并只在一個(gè)方向上變形的能力，能夠?qū)o序狀態(tài)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，因此在物質(zhì)分離、能量回收和生物行為控制等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。 


圖1. 非互易力學(xué)響應(yīng)凝膠及其應(yīng)用。


  研究人員使用了一種高分子水凝膠作為基質(zhì)，并在其中嵌入了以一定角度傾斜排列的氧化石墨烯納米片作為填料（圖2）。當(dāng)凝膠受到向左的剪切力時(shí)，納米片會(huì)發(fā)生屈曲現(xiàn)象，使凝膠容易變形；而在向右的剪切力下則不會(huì)發(fā)生屈曲，從而使凝膠能有效抵抗形變。這種面對(duì)左右兩個(gè)方向剪切力的不對(duì)稱性造成了67倍的彈性模量差異，使得該凝膠的行為類似于“一個(gè)只能從中心向左擺動(dòng)的鐘擺”。因此，這種材料具備將隨機(jī)振動(dòng)轉(zhuǎn)化為單向振動(dòng)、在設(shè)定方向上輸送物體以及使微小生物群朝設(shè)定方向運(yùn)動(dòng)的功能。 


圖2. 非互易力學(xué)響應(yīng)凝膠的設(shè)計(jì)和力學(xué)性能。


  為了實(shí)際演示這種材料的功能，研究人員將凝膠放在一個(gè)振動(dòng)平臺(tái)上，從底部對(duì)其施加振動(dòng)。由于凝膠材料具有不對(duì)稱形變的特性，從底部輸入的對(duì)稱振動(dòng)被轉(zhuǎn)化為頂部的不對(duì)稱振動(dòng)。這種指定方向的不對(duì)稱振動(dòng)能夠被用于驅(qū)動(dòng)液滴的定向運(yùn)輸和圓盤的圓周運(yùn)動(dòng)。例如，當(dāng)將運(yùn)輸方向指定為垂直向上時(shí)，可以觀察到染色的液滴神奇的逆重力向上移動(dòng)（圖3）。 


圖3. 非互易力學(xué)響應(yīng)凝膠用于液滴的定向運(yùn)輸。


  研究人員還發(fā)現(xiàn)，這種凝膠材料在受到局部壓力時(shí)能夠發(fā)生高度不對(duì)稱的變形，從而對(duì)施壓物體產(chǎn)生一個(gè)定向的作用力（圖4）。因此，當(dāng)一個(gè)小球自由落體到凝膠平面上時(shí)，反彈的方向會(huì)向固定方向產(chǎn)生偏移。這種不對(duì)稱的形變和作用力也能被微小生物感受到，因此當(dāng)研究人員將一群線蟲放置于凝膠上時(shí)，這些小蟲明顯呈現(xiàn)出向特定方向遷移的趨勢(shì)。 


圖4. 非互易力學(xué)響應(yīng)凝膠對(duì)局部壓力的不對(duì)稱變形。


  該研究工作以“Mechanical nonreciprocity in a uniform composite material”為題發(fā)表在Science（2023, 380, 192-198）上，日本理化學(xué)研究所新興物質(zhì)科學(xué)中心的研究員王翔博士為第一作者兼共同通訊作者，另一通訊作者為課題組組長(zhǎng)石田康博博士。


  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1206#tab-contributors

  PS: 文章全文可通過課題組主頁獲取。鏈接為：https://soft-matter-riken.jp/publication-en/。

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（責(zé)任編輯：xu）
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