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哈佛 95 后科研情侣提出“化学魔法”:1 滴液体 10 秒实现微结构拓扑变换,有望用于飞机涂层和机器人制备等

美国时间 4 月 15 日,中国 95 后哈佛留学生情侣李姝聪和邓博磊,以共同一作身份,在 Nature 正刊发表人生首篇 " 合体 " 论文。

李姝聪今年 26 岁,邓博磊 27 岁,分别来自河南郑州和贵州遵义。留学美国之前,前者在清华读书,后者在浙大学习,一南一北的他们,当时并不认识。

图 | 邓博磊和李姝聪(来源:受访者)

谈及最初相识,李姝聪告诉 DeepTech:" 来哈佛后,有一学期上课我和博磊有几次是同桌,他当时高高壮壮的有一米九多,皮肤黑黑的,从不讲话,生活上也从没有进一步走近。后来我的一个课题涉及很多的力学知识,就和力学专业的博磊开始讨论合作课题,才有了两人之间第一次的对话。"

如今在哈佛校园里,他们一起做实验,一起写论文,一起开会,还一起穿着校服健身。

图 | 一起学习一起更健康(来源:受访者)

他们俩马上就要博士毕业,后面计划在波士顿或加州的高校做博后研究。博后研究结束后,他们都打算去高校做教职,且倾向回国发展。

可以预见的是,本次发在 Nature 正刊的 " 双一作 " 论文,必将成为他们未来的代表作之一。据悉,本次研究的论文题目为《液体诱导的蜂窝状微结构拓扑转变》Liquid-induced topological transformations of cellular microstructures。

只需一滴液体,10 秒钟即可改变材料结构

研究中,他们只用一滴液体就能把材料微结构、从三角形网格变成六边形网格,这一过程仅需 10 秒钟。再用另一滴液体,就能将结构从六边形网格转换回三角形网格。

让材料微结构从三角形、变成六边形的液体是丙酮,而让六边形再可逆转换成为三角形的液体,是乙醇和二氯甲烷的混合物。这三种溶剂都是工业界常用的有机溶剂。

之所以能发生这种转换现象,是因为选用的有机溶剂,可对高分子材料起到一种暂时软化作用,且能在蒸发时提供毛细力诱导组装。

对于实验过程,李姝聪表示,先需要铸造一个微结构,过程中需要微加工和光刻。得到微结构后,使用 PDMS(Polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)进行倒模脱模,得到一个软的负微结构。

然后把所使用的高分子灌注进去,进行再次翻模就能得到具有精细微米结构的高分子膜。

这时,就能进行微结构转化:使用小塑料管吸取一滴液滴,再把它挤到高分子膜上,随后液滴散开,让其完全蒸发。

过程非常简单,因此很利于投入潜在的工业应用,即便未经过任何科研训练的普通人,也只需几分钟就能完成实验。

其实验原理可从日常洗头发说起,头发湿水后往往会粘成一股,原因是发丝之间的毛细力作用,可导致头发粘连。

而对蜂窝状结构进行拓扑结构转换,正源于和洗头类似的机理,向高分子膜加入的液体蒸发时,会在结构表面形成气液弯界面,从而产生毛细力。

通常来讲,毛细力非常弱小,并不足以让固体结构发生大的变形。但如果结构非常柔性,就有可能被毛细力变形甚至组装,比如洗头后扁塌塌的头发。

利用该原理,早期科研工作者可通过液体蒸发形成的毛细力,把基底上若干互相分离的微纳米细柱、或薄板组装到一起。这时,毛细力无孔不入的特性,恰好能提供蜂窝结构拓扑变形所需的局部力场。

打比方来说,液体蒸发时在节点附近残留液体、形成的气液界面,就好像一个个微型机器人精准地作用在每个壁面上。然而,与柔软分立的细柱 / 薄板不同,蜂窝结构作为一个互联的整体结构,它的变形和组装需要克服大得多的阻力。

图 | 邓博磊和李姝聪提出的一种二重尺度共同作用的 " 软化 - 组装 - 硬化 " 方法(来源:受访者)

为解决上述问题,邓博磊和李姝聪提出一种二重尺度共同作用的 " 软化 - 组装 - 硬化 " 方法,该方法可让加入的液体,在结构尺度(微米)上形成大量气液界面,从而给结构施加局部毛细力。另一方面,通过在分子尺度上溶胀材料,可以实现高分子材料的暂时性软化。

因为实验中的液体先于高分子材料里的液体蒸发,所以毛细力总是作用在被软化的结构上,这会大大降低变形过程中的阻力,从而实现即便只有弱小的毛细力,也能组装蜂窝结构,并最终改变它的拓扑特性。

最后,当所有液体从环境和高分子材料内部蒸发掉后,材料又会重新硬化、并恢复最初的杨氏模量,其力学强度也可得到保证。

无惧高温和多日浸泡

为测试该方法的可行性,他们采用微结构翻模的方法,制造出一块三角形网格的蜂窝微结构,其边长是 100 微米、厚度 7 微米、深度为 70 微米。

测试中,他们先给结构加入一滴溶液,结构被浸没后,溶液会渗入高分子材料并实现软化。

随着液体的蒸发,节点处产生的毛细力,可将软化的壁面两两组装到一起,每个节点的联结度,可从六条边变成三条边,最初的三角形网格也被重组成了六边形网格。

当液体完全蒸发后,被转化为六边形网格的蜂窝结构,可以重新硬化回最初的硬度,整个过程仅耗时 10 秒左右。

相比最初的微结构,组装后的结构在节点数量、联结度、孔洞数量和大小、以及壁面的厚度等结构属性方面都发生了改变。

另外,无论是处于高温状态、亦或是被一些溶液多日浸泡,组装后的结构都能保持六边形构型。

图 | 三角形网格的微结构被一滴溶液被组装成六边形网格,实现了结构的拓扑变化(来源:受访者)

但有些功能的实现,也会带来 " 买一赠一 " 的副作用,结构的高稳定性固然是好,却也给解组装带来了挑战:那些可以高度溶胀材料的溶液,能通过引入剧烈形变,去撕开组装在一起的壁面,从而让结构回到最初构型,但因为毛细力总是作用在被软化的结构上,一旦溶液蒸发,结构又会被重新组装起来。

为实现微结构的可逆拓扑变换,他们使用双组分溶液,来延缓毛细力的出现,这时再将其作用于已经硬化的材料上,就可实现解组装。

图 | 运用双组份溶液解组装结构,组装后的六边形结构被转换回最初的三角形构型(来源:受访者)

此外,他们发现通过调整两种溶液的比例,可以精细地控制毛细力、和软硬化之间的动力学作用,从而得到一系列其它丰富的微构型。

图 | 除了六边形结构,通过调控双组份溶液的比例同一个三角形网格可以被转化成一系列不同的构型(来源:受访者)

另据悉,本次方法不仅可用于特殊材料化学组分,也可用于多种高分子材料,并能和本身具有环境响应性的材料结合,从而实现多重形变。

除了三角形网格,他们通过理论模型的预测设计,还实现了几种更复杂网格结构的结构转化。

图 | 其他蜂窝微结构的拓扑变形(来源:受访者)

可用于飞机涂层和机器人制备等

对于应用,李姝聪说他们非常希望工业界一线科研人员,可根据自身需求来从本次研究中成果中,找到相关解决方案。

邓博磊说,他们提出了一种设想,即改变材料的声学效应,比如屏蔽某一频率段的超声波。

以本次研究中的三角形和六边形为例,假设材料处于三角形时,可以传导某个频段的超声波,但是当其变成六边形,该频段的超声波就不能传播,借助这种特点就可以设计出更多应用,比如让飞机材料实现某个频率段的超声波隐身。

图 | 飞机机翼表面(来源:Pixabay)

同时相比原子,该结构的尺寸依然很大,所以使用该方法并不会改变微观材料的特性,但却能改变整个宏观材料的属性,也就是在微观和宏观之间的互不影响的、介观尺度上 "做文章",即让建筑构造来决定材料的最终性质。

如果能在介观尺度上改变材料结构,就可以改变它的属性。一般情况下,超材料造出来后的结构很难被改变,而如果有改变其结构的办法,就意味着能改变材料的属性,如此便可拥有可调控的材料。

而之所以要改变材料表面性质,是因为材料的应用场景随时在变化,比如环境湿度就是最大的变量之一。

概括来说,本次提出的方法,在理论上能让材料具备湿度响应性,即在干燥和湿润状态下都能被应用并体现出不同的性质。

假如要制备一个小机器人,使用本方法修饰就可能有潜力同时做水陆两用机器人。在水下环境中,我们需要调控它的力学弹性、水中穿过的摩擦力和黏性等,这时借助本次方法就可以轻松实现。

图 | 晶格结构进行拓扑变换的示例应用(来源:受访者)

邓博磊补充称,以铺设在房屋或车辆表面的材料为例,他们设想的是材料在结构变换前后,其亲疏水性和隔热散热能力也可发生改变,这对于材料在不同环境中的适应性可能会有帮助。

这也是该研究的实用性所在,很多时候人们希望材料的性质,在造出来之后可以像开关一样," 摁一下 " 就能改变。

图 | 做实验的李姝聪(来源:受访者)

研究听起来很酷,他们的爱好也非常酷。邓博磊非常注重生活和学业的平衡,也是一名运动爱好者,课余爱好健身,喜欢打篮球、骑行、划船、攀岩和爬山等。

图 | 攀岩的邓博磊(来源:受访者)

几年后,当他们都成为高校老师," 校园学霸 CP" 也将成为 " 高校教师 CP",又努力、又爱运动,这样的 " 人类灵魂工程师 " 一定大受欢迎。

以上内容由"DeepTech深科技"上传发布 查看原文
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