研究人员在微观尺度上重新配置材料拓

可重新配置的材料可以做令人惊奇的事情。平板变成一张脸。挤压的立方体会转变成数十种不同的形状。但是，有一种事情，可重新配置的材料尚不能更改：其基础拓扑。具有100个单元格的可重新配置材料将始终具有100个单元格，即使这些单元格被拉伸或挤压了也是如此。

现在，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员开发了一种在微尺度上改变细胞材料的基本拓扑的方法。这项研究发表在《自然》上。

艾米·史密斯·贝里尔森(Amy Smith Berylson)材料科学教授说：“创造能够动态改变其拓扑结构的细胞结构将为开发具有信息加密，选择性粒子捕获以及可调节的机械，化学和声学特性的活性材料带来新的机遇。”在SEAS任化学和化学生物学教授，也是该论文的高级作者。

研究人员利用了相同的物理原理，即在湿润时将头发束在一起，即毛细作用力。毛细作用力在柔软，顺滑的材料(例如我们的头发)上很好地起作用，但在需要弯曲，拉伸或折叠壁的坚硬细胞结构(特别是在坚固，相连的结点周围)时会产生挣扎。毛细作用力也是暂时的，材料在干燥后趋于恢复其原始形状。

为了开发一种持久而可逆的方法来转变刚性细胞微结构的拓扑结构，研究人员开发了一种两层动态策略。他们从具有三角形晶格拓扑结构的坚硬，聚合的细胞微结构开始，然后将其暴露于挥发性溶剂的液滴中，这些液滴被选择用来在分子规模上使聚合物溶胀和软化。这使材料暂时变得更柔软，并且在这种柔软状态下，由蒸发液体施加的毛细作用力将三角形的边缘吸引在一起，从而改变了三角形之间的连接并将其转变为六边形。然后，随着溶剂的迅速蒸发，材料干燥并被捕集成新的形状，恢复了其刚度。整个过程只花了几秒钟。

艾森伯格实验室的研究生，论文的第一作者，论文的第一作者李树聪说：“考虑应用时，在转换过程之后不损失材料的机械性能非常重要。“在这里，我们证明了可以通过在重新配置阶段临时软化硬质材料开始，然后以硬质材料结束。”

这种材料的新拓扑结构非常耐用，可以承受热量，也可以在某些液体中浸没几天，而无需拆卸。对于希望使转换可逆的研究人员，它的鲁棒性实际上提出了一个问题。

为了返回原始拓扑，研究人员开发了一种将两种液体结合在一起的技术。第一种方法使晶格暂时膨胀，从而将六边形的附着壁剥离，并使晶格恢复其原始的三角形结构。第二种挥发性较小的液体会延迟毛细作用力的出现，直到第一种液体蒸发并且材料恢复其刚度为止。以此方式，可以重复地组装和拆卸结构，并且以任何中间构造来捕获它们。

“为了将我们的方法扩展到任意晶格，重要的是建立一个连接细胞几何，材料刚度和毛细作用力的广义理论模型，”该论文的第一作者，实验室的研究生Bolei Deng说。 Katia Bertoldi，SEAS应用力学教授William和Ami Kuan Danoff。

在此模型的指导下，研究人员演示了各种晶格几何形状和响应材料的编程可逆拓扑转换，包括将圆形晶格转换为正方形。

研究人员探索了该研究的各种应用。例如，团队通过对三角形晶格的几何形状进行细微的，看不见的调整，将图案和设计编码到材料中。

李说：“您可以想象它将来会被用于信息加密，因为当材料处于未组装状态时，您将看不到它的图案。”

研究人员还展示了高度局部的转换，用一小滴液体组装和拆卸了晶格区域。此方法可用于调整材料的摩擦和润湿特性，更改其声学特性和机械回弹力，甚至捕获颗粒和气泡。

贝尔特迪(Bertoldi)也是该论文的合著者，他说：“我们的策略可以应用于多种应用。” “我们可以将此方法应用于不同的材料，包括响应材料，不同的几何形状和不同的比例，甚至在拓扑结构在设计可调谐光子超表面中起关键作用的纳米级。这种方法的设计空间很大。”

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