天然生物材料中普遍存在著軟硬材料組分有序排列的奇特現象。因此生物體能夠充分利用軟硬材料組分的協(xié)同效益用以構建先進復合材料。研究人員受天然復合材料的啟發(fā)，通過合理結合軟硬材料的特性，從而設計新型的先進復合材料，進一步擴展復合材料在聲學，電磁學，光學和力學等廣泛研究領域中的應用。近日，密蘇里大學機械工程系林見課題組聯(lián)合黃國良課題組，采用了類似的仿生策略設計了一種新型的自形變（self-morphing）軟硬復合水凝膠薄膜，并進一步探討了該材料在聲學超材料（acoustic metamaterials）中的潛在應用。相關成果以題為“Deterministic Self-Morphing of Soft-Stiff Hybridized Polymeric Films for Acoustic Metamaterials”發(fā)表在國際期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。
研究人員通過化學鍵將熱響應聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）水凝膠橫向粘合在剛性的SU-8片段上，從而得到了一種新型的自形變復合水凝膠薄膜（圖a）。PNIPAM水凝膠具有熱響應性，當環(huán)境溫度高于其轉變溫度 (transition temperature) 后，PNIPAM水凝膠會將內部的水分子排出去，導致體積收縮。而SU-8對溫度不具備響應性，升溫過程中其體積不產生變化。由于軟硬組分體積變化的不均一性，復合水凝膠薄膜因此產生屈曲（buckling），從二維結構形變?yōu)槿S結構 (圖b)。同時研究人員發(fā)現該種軟硬復合水凝膠的自形變行為是高度可控的。而通過對照組實驗，研究人員發(fā)現全軟PNIPAM-PAAM復合水凝膠的形變行為是不可控（圖c）。為此研究人員通過有限元(finite element analysis, FEA)模擬（圖d和圖e），發(fā)現剛性組分（SU-8）在增強水凝膠薄膜形變可控性上發(fā)揮了重要的作用，它極大地增加了復合水凝膠薄膜從二維結構形變?yōu)槿S結構所需克服的能量壁壘，從而有效地降低了自變形過程中的不可控性和不確定性。
接著研究人員通過不同的SU-8圖案設計，使得軟硬復合水凝膠薄膜能夠產生不同的可控形變，從而形成一系列復雜的三維結構。圖為三維結構的實物照片和有限元模擬結果。
最后研究人員將該軟硬復合水凝膠薄膜組裝成聲學超材料陣列。根據實驗和有限元模擬，研究人員發(fā)現該超材料陣列能夠有效的過濾掉4000-6000 Hz 和7000-9000 Hz這兩個頻域的聲學信號。證明了該復合材料在超材料領域的潛在應用。
該研究的意義在于，提供了一種新思路用于構建自形變復合材料。該方法對于可形變材料的研發(fā)有著重要的啟示作用，同時也將大大推動高分子材料在柔體機器人，傳感器、人工肌肉，超材料等領域的重要應用。
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c01115
- 美國密蘇里大學林見教授團隊《Nat. Commun.》：激光直寫重新編碼磁驅形變復合材料 2020-12-15
- 華中科技大學臧劍鋒教授團隊在柔性聲學超表面方向取得進展 2018-09-07
