哈佛大学约翰·阿
保尔森工程和应用科学学院 研究人员通过对三角形网格的几何形状进行微小的、不可见的调整，将图案和设计编码到材料中
学分:李书聪/雷勃邓/哈佛SEAS 可重构材料可以做出惊人的事情
平板变成了一张脸
一个挤压出来的立方体可以变成数十种不同的形状
但是有一件事是可重构材料还不能改变的:它的底层拓扑
具有100个单元的可重构材料将总是具有100个单元，即使这些单元被拉伸或挤压
现在，哈佛大学的研究人员
鲍尔森工程和应用科学学院(SEAS)开发了一种方法，可以在微型尺度上改变细胞材料的基本拓扑
这项研究发表在《自然》杂志上
“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机械、化学和声学特性的活性材料带来新的机遇，”乔安娜·艾森伯森，SEAS大学艾米·史密斯·贝里尔森材料科学教授，化学和化学生物学教授，该论文的资深作者说
研究人员利用了头发变湿时聚集在一起的物理现象——毛细作用力
毛细作用力在柔软、柔顺的材料上效果很好，比如我们的头发，但在坚硬的细胞结构中却很难发挥作用，这些结构需要弯曲、拉伸或折叠壁，尤其是在坚固的连接节点周围
毛细作用力也是暂时的，材料在干燥后往往会恢复到它们的原始形态
为了开发一种持久而可逆的方法来改变刚性细胞微结构的拓扑结构，研究人员开发了一种双层动态策略
他们从具有三角形晶格拓扑结构的坚硬的聚合物多孔微结构开始，并将其暴露于挥发性溶剂的液滴中，所述挥发性溶剂被选择用于在分子尺度上膨胀和软化聚合物
这使得材料暂时变得更加柔韧，在这种柔韧的状态下，蒸发液体施加的毛细作用力将三角形的边缘拉在一起，改变它们之间的连接，并将它们转换成六边形
然后，随着溶剂的迅速蒸发，材料变干，并以新的形态被捕获，恢复其硬度
整个过程只花了几秒钟
微结构拆卸的视频
第一种会暂时使晶格膨胀，从而剥离粘附的壁
第二种挥发性较低的液体会延迟毛细作用力的出现，直到第一种液体蒸发，材料恢复硬度
学分:李书聪/雷勃邓/哈佛SEAS “当你考虑应用时，在转变过程后不失去材料的机械性能是非常重要的，”艾森堡实验室的研究生、该论文的第一作者之一李书聪说
“在这里，我们展示了我们可以从坚硬的材料开始，通过在重新配置阶段暂时软化它的过程，以坚硬的材料结束
" 这种材料的新布局非常耐用，可以耐热或者在某些液体中浸泡几天而不分解
它的坚固性实际上给希望使这种转变可逆的研究人员提出了一个问题
为了回到最初的拓扑结构，研究人员开发了一种结合两种液体的技术
第一种是暂时膨胀晶格，剥离六边形的粘附壁，使晶格恢复到原来的三角形结构
第二种挥发性较低的液体会延迟毛细作用力的出现，直到第一种液体蒸发，材料恢复硬度
这样，这些结构可以重复地组装和拆卸，并被限制在任何中间结构中
“为了将我们的方法扩展到任意晶格，重要的是开发一个广义的理论模型，将细胞几何形状、材料刚度和毛细作用力联系起来，”该论文的第一作者之一、SEAS大学应用力学教授威廉和阿米·宽·达诺夫的研究生雷勃·登说
在这个模型的指导下，研究人员演示了各种晶格几何形状和响应材料的程序化可逆拓扑变换，包括将圆形晶格变成正方形
微结构组装的视频
三角形网格暴露于使聚合物膨胀和软化的液体中
在这种灵活的状态下，蒸发液体施加的毛细作用力将三角形的边缘拉在一起，改变它们之间的连接，并将它们转换成六边形
学分:李书聪/雷勃邓/哈佛SEAS 研究人员探索了这项研究的各种应用
例如，该团队通过对三角形网格的几何形状进行微小的、不可见的调整，将图案和设计编码到材料中
“你可以想象这在未来被用于信息加密，因为你看不到材料在未组装状态下的图案，”李说
研究人员还展示了高度局部化的转变，用一滴微小的液体组装和分解晶格区域
这种方法可以用来调整材料的摩擦和润湿特性，改变其声学特性和机械弹性，甚至捕获颗粒和气泡
“我们的策略可以应用于一系列的应用，”伯托尔迪说，他也是这篇论文的合著者
“我们可以将这种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尺度，甚至是纳米尺度，其中拓扑在设计可调光子元表面中起着关键作用
这个的设计空间是巨大的
"
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