12月6日，清華大學航天航空學院陳常青教授課題組在《自然·通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表題目為“力學超材料中可編程靜態(tài)拓撲孤立子”（Programmable and robust static topological solitons in mechanical metamaterials）的研究論文，利用力學超材料實現(xiàn)編程有序局域化變形的靜態(tài)周期孤立子。
孤立子作為一種具有特殊穩(wěn)定性的時/空局域態(tài)，具有可靠傳遞信息和能量的潛力，普遍存在于非線性科學領(lǐng)域。局域化變形是材料和結(jié)構(gòu)破壞的最主要形式之一，又因缺陷敏感，使得其位置和尺度隨機而難以預測和調(diào)控。開發(fā)可編程的拓撲結(jié)構(gòu)來控制孤立子，進而實現(xiàn)局域變形可控，克服缺陷敏感的缺點，不僅有助于材料和結(jié)構(gòu)應用，也有助于光子/聲子整流，以及軟體機器人和功能器件的設(shè)計。
該工作構(gòu)建了一類多穩(wěn)態(tài)力學超材料，在準靜態(tài)均勻壓縮載荷作用下，實現(xiàn)了有序局域變形，其本質(zhì)是具有缺陷不敏感的靜態(tài)拓撲孤立子。這一發(fā)現(xiàn)突破了固體中局域變形的位置、尺度通常隨機而難以準確預測的傳統(tǒng)認知。
圖1.準靜態(tài)均勻壓縮載荷作用下力學超材料激發(fā)出的有序局域變形靜態(tài)孤立子的實驗和數(shù)值模擬結(jié)果。
圖2.力學超材料的一維雙穩(wěn)態(tài)模型和周期孤立子解，結(jié)果證實實驗觀察到的有序局域變形具有明顯的靜態(tài)孤立子特性。
該研究進一步指出，有序局域變形的實現(xiàn)，并不依賴于特定的幾何構(gòu)型，其根源是外界載荷作用下元胞原位勢與元胞間強耦合能的相互作用及其演化。這為采用力學超材料激發(fā)靜態(tài)孤立子，實現(xiàn)缺陷不敏感、有序可控局域變形提供了一個機理性框架。
圖3.可控有序局域變形的靜態(tài)周期孤立子機理示意圖：（a）元胞等效原位勢能隨壓縮應變演化示意圖；（b）多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相變機制與靜態(tài)周期孤立子框架示意圖；（c-d） 基于靜態(tài)孤立子框架編程有序局域變形。
清華大學航院陳常青教授為本文的通訊作者，微納米力學中心博士生張亞飛為本文的第一作者。合作者還包括航院李博副教授，鄭泉水教授以及華盛頓大學Guy M. Genin教授。該項研究得到了國家自然科學基金委的支持。
