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研究背景

機械超材料是一類具有人工設計結構的材料，因其能夠展現出普通材料所不具備的奇特性質，如負泊松比、負剛度和彈性波帶隙等，廣泛應用于能量吸收、軟體機器人、柔性電子學和壓電傳感器等領域。與傳統材料相比，超材料的獨特之處在于其通過精確設計的人工原子或構建塊實現功能性，通過改變這些原子幾何結構，能夠創造出各種新型的機械超材料。然而，盡管這些材料展現出令人矚目的性能，它們也面臨著溫度響應性、響應速度和驅動能力等方面的挑戰。因此，如何在機械超材料中整合溫度響應性、寬溫度范圍、快速響應和可編程性成為了當前研究的關鍵問題。

成果簡介

近日，南京工業大學任鑫、香港大學陸洋教授、皇家墨爾本理工大學謝億民教授等人合作在《Science Advances》上發表題為“Temperature-responsive metamaterials made of highly sensitive thermostat metal strips”的最新論文。該團隊設計并制備了一種集成熱控金屬條帶的超材料，并通過精確控制熱應變，實現了超材料的顯著形態變化。通過將熱控金屬條帶與反向抗剪超材料（AAM）相結合，研究人員成功提升了該超材料的熱變形能力，使其在加熱5秒鐘內就能達到設計應變的70%至80%。與傳統的雙金屬材料相比，所組裝的超材料的熱應變高達約30%，這一性能比其他雙金屬超材料提高了100到200倍。熱控金屬條帶的驅動能力也大大超越其自身重量，達到26倍以上。博士研究生張毅為論文第一作者。

此外，利用該超材料的可編程熱變形能力，研究團隊還成功實現了可調帶隙范圍，從3847赫茲到40,000赫茲。通過這些創新設計，該團隊顯著提高了超材料在溫度響應、熱驅動、溫度跨度和熱靈敏度等方面的性能，為其在軟體驅動器、軟機器人、高超聲速飛行器的振動隔離、噪聲抑制和精密儀器中的獨特熱變形等應用提供了新的技術路徑。

研究亮點

1. 本研究首次將熱控金屬條帶與反向抗剪超材料（AAM）結合，構建了具有高度熱響應特性的溫度響應型超材料。通過引入熱控金屬條帶，賦予了超材料優異的熱變形性能、快速的溫度響應能力和廣泛的工作溫度范圍。與其他溫度響應型超材料相比，該超材料展現出了更加平衡和理想的性能。

2. 實驗結果表明，超材料在加熱5秒鐘后即可實現設計應變的70%至80%，并且所達到的熱應變約為30%，明顯優于傳統雙金屬超材料的性能。此外，熱控金屬條帶的驅動能力超出了其自重的26倍，展現出強大的熱驅動潛力。實驗還驗證了超材料的快速響應性，證明其適用于需要快速熱變形的應用場景。

3. 通過充分利用熱形態變化的可編程性，實驗進一步研究了超材料在不同溫度下的可調帶隙特性。實驗結果表明，該超材料能夠實現3847至40,000赫茲范圍內的帶隙調節，展示了其在調節振動波傳播方面的獨特能力。

圖文解讀

圖1. 具有獨特熱變形的組裝超材料的設計概念與制造。

圖2. 熱彎曲測試與響應時間測試。

圖3. 熱控金屬條帶的驅動能力測試。

圖4. 組裝超材料的熱膨脹與收縮。

圖5. 熱控金屬條帶方形管的熱變形與潛在應用。

圖6. 超材料的可調振動波衰減特性。

結論展望

本文的研究提供了一個創新的設計策略，通過引入熱控金屬條帶構建溫度響應型超材料，成功實現了優異的負泊松比行為和卓越的熱響應特性。研究表明，熱控金屬條帶能在廣泛的溫度范圍內實現大幅度的形變，并且響應速度比傳統材料（如形狀記憶聚合物和液晶彈性體）更快。這種超材料不僅能夠在不同溫度下快速編程形狀，還具有顯著的驅動能力和超寬的可調帶隙特性，具有廣泛的應用潛力，尤其在軟驅動器、振動隔離、智能熱適應設備等領域。

這一工作為未來超材料設計提供了新的思路，即通過替代超材料構件或折紙結構的鉸鏈，采用經典的雙金屬條帶來實現溫度響應型形態變化，同時保留原有機械特性。此外，熱膨脹系數差異在熱響應性能中的關鍵作用，提示我們未來可以通過選擇特殊合金，進一步優化超材料的溫控性能。因此，探索更高和更低熱膨脹系數的合金材料，可能是提升超材料熱響應性能的重要方向。

文獻信息

Yi Zhang et al. ,Temperature-responsive metamaterials made of highly sensitive thermostat metal strips.

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