近年來，微點陣超力學(xué)材料以其輕質(zhì)高強的特性吸引了廣大研究者的關(guān)注，近些年隨著材料制備技術(shù)的進步，力學(xué)超材料也展現(xiàn)了其他特性，比如可折疊性、抗回彈性、抗破壞性。在醫(yī)療、吸能結(jié)構(gòu)、機器人等應(yīng)用中展現(xiàn)了巨大的潛力。磁響應(yīng)力學(xué)超材料有快速響應(yīng)、可遠程控制等特性，目前的磁響應(yīng)材料大多數(shù)將磁性顆粒摻雜在固相的高分子基體中，而且現(xiàn)有的磁響應(yīng)材料通常需要在強磁場(≥0.1 mT)下工作。

為了構(gòu)建在低磁場下響應(yīng)的磁響應(yīng)力學(xué)超材料，香港大學(xué)陸洋教授團隊設(shè)計了一種“亦剛亦柔"的固液雙相力學(xué)超材料，包含液相的磁流變體和固相的柔軟高分子微點陣外殼（圖 1）。研究人員利用真空填充的方式，將磁流變體填充進中空的微格框架中，這種方法也為大尺度固液雙相結(jié)構(gòu)制備提供新思路。

圖 1 固液雙相微點陣力學(xué)超材料（a）示意圖（b）實物圖，該結(jié)構(gòu)利用摩方精密nanoArch® S140 Pro設(shè)備加工制備

研究人員測試了不同磁場強度下微晶格力學(xué)超材料的力學(xué)性能，研究結(jié)果表明在60mT的磁場強度下模量增加200%（圖 2），這種低磁場下的高模量增加來源于雙相結(jié)構(gòu)較低的起始模量。此外，柔性的外殼也讓固液雙相磁響應(yīng)力學(xué)超材料在劇烈變形后可以復(fù)原，可作為吸能材料 （圖 3）。

圖 2 在不同磁場強度下的壓縮曲線

研究人員測試了該固液雙相結(jié)構(gòu)在電磁場下的響應(yīng)時間，施加磁場時可以在180 ms達到穩(wěn)定狀態(tài)，去掉磁場時可以在80 ms 達到穩(wěn)定狀態(tài)（圖4 a,b），相比于之前的工作，響應(yīng)時間大幅度減小，作者認為這是由于電磁鐵可以更快速精準(zhǔn)的建立磁場。得益于磁場快速響應(yīng)的特性，該超材料展現(xiàn)了可編程的力學(xué)性能（圖4 c,d）。

圖 4 磁響應(yīng)力學(xué)超材料的響應(yīng)時間（a）施加磁場（b）撤銷磁場（c）在壓縮實驗過程中增加磁場強度（d）在壓縮實驗過程中減小磁場強度

2023 年 8 月 25 日，相關(guān)論文以Magnetoactive microlattice metamaterials with highly tunable stiffness and fast response rate為題發(fā)表在 NPG Asia Materials上。

“通過磁場大幅度調(diào)控超材料的力學(xué)性能是一次有意義的嘗試，我們希望此項工作可以給微型柔性機器人、人工肌肉等領(lǐng)域的應(yīng)用帶來啟發(fā)" 陸洋教授總結(jié)道。

備注：已獲得轉(zhuǎn)載版權(quán)