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(xiàn)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(gòu)建先進復(fù)合材料。研究人員受天然復(fù)合材料的啟發(fā)，通過合理結(jié)合軟硬材料的特性，從而設(shè)計新型的先進復(fù)合材料，進一步擴展復(fù)合材料在聲學(xué)，電磁學(xué)，光學(xué)和力學(xué)等廣泛研究領(lǐng)域中的應(yīng)用。近日，密蘇里大學(xué)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(shè)計了一種新型的自形變（self-morphing）軟硬復(fù)合水凝膠薄膜，并進一步探討了該材料在聲學(xué)超材料（acoustic metamaterials）中的潛在應(yīng)用。相關(guān)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(xué)鍵將熱響應(yīng)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(fù)合水凝膠薄膜（圖a）。PNIPAM水凝膠具有熱響應(yīng)性，當(dāng)環(huán)境溫度高于其轉(zhuǎn)變溫度 (transition temperature) 后，PNIPAM水凝膠會將內(nèi)部的水分子排出去，導(dǎo)致體積收縮。而SU-8對溫度不具備響應(yīng)性，升溫過程中其體積不產(chǎn)生變化。由于軟硬組分體積變化的不均一性，復(fù)合水凝膠薄膜因此產(chǎn)生屈曲（buckling），從二維結(jié)構(gòu)形變?yōu)槿S結(jié)構(gòu) (圖b)。同時研究人員發(fā)現(xiàn)該種軟硬復(fù)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(xiàn)全軟PNIPAM-PAAM復(fù)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(xiàn)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(fù)合水凝膠薄膜從二維結(jié)構(gòu)形變?yōu)槿S結(jié)構(gòu)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(shè)計，使得軟硬復(fù)合水凝膠薄膜能夠產(chǎn)生不同的可控形變，從而形成一系列復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。圖為三維結(jié)構(gòu)的實物照片和有限元模擬結(jié)果。
最后研究人員將該軟硬復(fù)合水凝膠薄膜組裝成聲學(xué)超材料陣列。根據(jù)實驗和有限元模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)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(xué)信號。證明了該復(fù)合材料在超材料領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。
該研究的意義在于，提供了一種新思路用于構(gòu)建自形變復(fù)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(lǐng)域的重要應(yīng)用。
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c01115
