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  拉脹力學超材料（即負泊松比材料）在受到軸向拉伸時會產生橫向擴張，并表現(xiàn)出優(yōu)異的力學性能，如抗剪切、耐壓縮和抗沖擊等性能，在航空航天、生物醫(yī)療等領域有著廣闊的應用前景。超材料的宏觀力學屬性受控于組成微結構的拓撲結構，這意味超材料在制備后力學性能固定，缺乏自適應能力。

  針對以上問題，哈爾濱工業(yè)大學冷勁松教授課題組近日在《Adv. Funct. Mater.》上發(fā)表題為“4D Printing Auxetic Metamaterials with Tunable, Programmable, and Reconfigurable Mechanical Properties”的文章。

  受生物組織卷曲、纏繞狀的膠原纖維啟發(fā)，將波浪狀韌帶引入手性結構中并結合4D打印技術，設計制備了具有力學性能（非線性應力-應變行為、泊松比）可調節(jié)、可編程和可重構的拉脹力學超材料。超材料的微結構由波浪狀韌帶和圓環(huán)節(jié)點組成，具備旋轉對稱特性。根據(jù)圍繞在每個節(jié)點的韌帶數(shù)量可以分為六韌帶（圖1a,b）和四韌帶（圖1c,d）結構。微結構的幾何參數(shù)（ω/l₁, l₂/l₁, R₀/l₁, t₂/l₁, t₁/l₁和2θ (2α)）決定了超材料的宏觀力學屬性。此外，幾何參數(shù)的多樣性為調節(jié)、定制超材料的宏觀力學行為創(chuàng)造了機會。建立了幾何參數(shù)與宏觀力學屬性之間的關系，揭示了超材料的變形機理，實現(xiàn)了對非線性應力-應變關系和泊松比的調控。力學性能和變形之間的定量關系實現(xiàn)了超材料的可編程性和可重構性，提高了力學超材料的設計自由度和自適應能力。

圖1 設計的具有波浪狀韌帶的拉脹超材料

  超材料的非線性力學行為具備匹配多種生物組織/器官的能力，并實現(xiàn)了具有一種幾何參數(shù)的超材料的非線性力學行為在兩種生物材料之間進行相互轉換（圖2）。文中還演示了該材料在柔性電子及力學/構型均可個性化定制的醫(yī)療器械中的應用前景（圖3）。

圖2 超材料的仿生特性。組織/器官的σ-λ曲線來源于參考文獻[1]

圖3 超材料在醫(yī)療器械和柔性電子中的應用

  論文的第一作者為哈爾濱工業(yè)大學博士生辛曉洲，哈爾濱工業(yè)大學冷勁松教授和劉立武教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金的大力支持。

  冷勁松教授團隊長期從事于智能結構力學及其應用研究，其中包括形狀記憶聚合物等（Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1906569；Compos. Sci. Technol. 2019, 107866; Mech. Mater., 2020, 148, 103518; Mech. Mater., 2019, 103263; Mech. Mater., 2014, 72, 46-60；Sci. China Technol. Sc., 2020，63(8), 1436–1451；Compos. Part B-Eng.,2020, 193, 108056; Compos. Part B-Eng.,2020, 194, 108034; Smart Mater. Strnct.,2019, 28, 075023;）

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202004226

  參考文獻[1] S. S. Sheiko, A. V. Dobrynin, Macromolecules 2019, 52, 7531

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