在鋰離子電池中，硅負極充放電過程會發生體積膨脹，最終導致電池失效。硅負極充放電的體積變化可謂是鋰電池不得不提的老大難問題，無數科學家和工程師為之折腰。
然而，正是這個致命傷，卻啟發科學家開發了一種新型的可重構材料，可廣泛應用于基于形狀變化的智能傳感器、微米機器人以及建筑材料等等領域。
如果你用力壓一塊橡膠塊，橡膠會變形；一旦松手，橡膠就會恢復到原來的形狀，也就是說，這種形狀轉變是不穩定的。但如果你對做玩偶的橡皮泥施加相同的壓力，即使壓力消失，形變仍然存在，不會恢復到原來的形狀。這種差異是由每種材料本征特決定，與形狀本身無關，而且幾乎不可能根據需要打開或關閉材料的形狀變化。
譬如，目前備受關注的只能建筑材料，可以通過溫度，濕度或磁場等刺激響應來改變它們的形狀，從而改變它們的功能。但是，用于產生屈曲引起的形狀變化的方法涉往往只能涉及2種形狀，并且不能切換材料的形狀變換波動性。也就是說，要么保持外部刺激以保持形變（橡膠-較硬），要么當外力消除時也無法恢復到原來的形狀（橡皮泥人-較軟），無法實現既硬又軟的特性。
有鑒于此，佐治亞理工學院的Julia R. Greer團隊報道了一種智能“架構”材料，使用一種新的方法來誘導形狀變換來克服這個問題。他們通過使用鋰電池中硅負極發生的電化學反應，控制材料中施加的電荷和子結構的幾何形狀，可以調節形狀轉換的波動性。
Xiaoxing Xia等人首先使用3D打印機將聚合物制造成籠狀3D晶格，然后依次用鎳層和硅層涂覆晶格。硅常被用作鋰離子電池中的負極材料，放電過程中，鋰離子嵌入與之發生合金化反應。當滿載鋰時，硅負極膨脹約300％，作者使用這種電化學轉變作為外部刺激來觸發其架構材料中的屈曲。之前的研究中，研究團隊就觀察到蜂窩狀硅結構在加載鋰離子時會發生彎曲。
作者觀察到，硅涂層晶格在放電時經歷的形狀變換，可通過再充電反轉，反之亦然。與基于軟材料的架構材料不同，這種形狀變化可以通過電實現連續調制，并且當停止放電和/或充電時保持新的形狀的。也就是說，這種材料既可以保持形狀變化，又可以恢復到原來的形狀，相當于既有橡膠的特性，又有橡皮泥人的特性。
當然，這項工作目前依然存在諸多局限，譬如架構材料的制作復雜，耗時很長，估計生產1立方毫米材料需要大約一天時間。
總之，這項研究為微米機器人、智能傳感器和智能建筑材料領域打開了全新的局面。同時，這項研究的獨特視角也為開拓科研思路，啟發逆向思維，提供了借鑒。
天生我材必有用，此言非虛也！
參考文獻：
1.Xiaoxing Xia, Julia R. Greer et al. Electrochemically reconfigurablearchitected materials. Nature 2019, 573, 205–213.
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1538-z
2.Electrochemical reactions drive morphing of materials. Nature 2019, 573, 198-199.
https://www.nature.com/articles/d41586-019-02663-9
