特別說明：本文由學(xué)研匯技術(shù) 中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
在許多物理系統(tǒng)中，互易定律確保信號在系統(tǒng)中的傳播總是以對稱的方式發(fā)生。打破這種對稱性會導(dǎo)致非互易性，機(jī)械非互易性，或空間中兩點(diǎn)之間機(jī)械量的不對稱傳輸，對于開發(fā)能夠引導(dǎo)、阻尼和控制機(jī)械能的系統(tǒng)至關(guān)重要。要想實(shí)現(xiàn)對機(jī)械量表現(xiàn)出非互易性系統(tǒng)需要打破時(shí)間反轉(zhuǎn)對稱(動態(tài)系統(tǒng))或材料變形對稱(靜態(tài)系統(tǒng))。一個簡單的例子是通過將硅橡膠制造成魚骨結(jié)構(gòu)的超材料來實(shí)現(xiàn)位移場的非互反傳輸。
然而，機(jī)械非互易性的實(shí)現(xiàn)仍存在以下問題：
1、機(jī)械非互易性的實(shí)現(xiàn)限制了非互易系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用
迄今為止，機(jī)械非互易性主要是通過主動機(jī)器人或超材料框架的復(fù)雜設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。即使是最先進(jìn)的系統(tǒng)仍然依賴互反材料的成型和連接，這限制了這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自由和實(shí)際應(yīng)用。
2、機(jī)械非互易性的實(shí)現(xiàn)十分重要
非互易性在光學(xué)、聲學(xué)、量子系統(tǒng)和力學(xué)等系統(tǒng)中被廣泛研究，非互易系統(tǒng)具有引導(dǎo)、抑制和控制機(jī)械信號和能量的潛力，具有十分重要的研究意義。
有鑒于此，日本理研研究所Yasuhiro Ishida等人報(bào)道了一種均勻的復(fù)合水凝膠，由于嵌入納米填料的方向依賴屈曲，顯示出實(shí)質(zhì)性的力學(xué)不互易性。該材料在單向剪切時(shí)的彈性模量比反方向剪切時(shí)高60倍以上。因此，它可以將對稱振動轉(zhuǎn)換為不對稱振動，適用于質(zhì)量傳輸和能量收集。此外，它在局部相互作用時(shí)表現(xiàn)出不對稱的變形，這種變形可以引起各種物體的定向運(yùn)動，包括宏觀物體，甚至是小型生物。這種材料可以促進(jìn)非互易系統(tǒng)的發(fā)展，如能量轉(zhuǎn)換和生物操縱等實(shí)際應(yīng)用。
技術(shù)方案：
1、制備了對剪切力具有不對稱響應(yīng)的非互反凝膠
作者開發(fā)了一種復(fù)合水凝膠，表現(xiàn)出較大和較小剪切變形的方向分別被稱為較軟和較硬的方向
2、分析了氧化石墨烯方向依賴屈曲引起的不對稱剪切響應(yīng)
作者定量分析了剪切的不對稱響應(yīng)，且通過多種表征證明了這種不對稱響應(yīng)源于納米填料的方向依賴屈曲。
3、展示了非互易系統(tǒng)引導(dǎo)質(zhì)量傳遞和定向旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能
作者通過NR凝膠的振動剪切變形實(shí)現(xiàn)了非互易機(jī)械系統(tǒng)定向引導(dǎo)機(jī)械能展示了水滴傳輸實(shí)驗(yàn)和機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置。
4、實(shí)現(xiàn)了NR凝膠操縱物體和生物的方向移動
作者基于NR凝膠的局部變形時(shí)的行為， 發(fā)現(xiàn)NR凝膠可以誘導(dǎo)與之相互作用的物體定向運(yùn)動的潛力，證實(shí)了即使是微米大小的物體也會引起NR凝膠的不對稱變形。
技術(shù)優(yōu)勢：
1、實(shí)現(xiàn)了實(shí)質(zhì)性的力學(xué)不互異性
作者通過在結(jié)構(gòu)中引入對稱性破缺，制備的復(fù)合水凝膠利用嵌入納米填料的方向依賴屈曲，導(dǎo)致整個系統(tǒng)對剪切力的不對稱響應(yīng)，顯示出實(shí)質(zhì)性的力學(xué)不互易性。
2、實(shí)現(xiàn)了將對稱振動轉(zhuǎn)化為不對稱振動
作者報(bào)道的水凝膠在單向剪切時(shí)的彈性模量比反方向剪切時(shí)高60倍以上。因此，可以將對稱振動轉(zhuǎn)換為適用于質(zhì)量傳輸和能量收集的不對稱振動。
3、展示了NR凝膠的非互易系統(tǒng)應(yīng)用
作者解析了NR凝膠的整體不對稱變形和局部變形，展示了與之相關(guān)的水滴傳輸、機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置以及NR凝膠操作微小型生物等。
對剪切力具有不對稱響應(yīng)的非互反凝膠
作者開發(fā)了一種由聚丙烯酰胺網(wǎng)絡(luò)作為基質(zhì)和氧化石墨烯(GO)納米片作為納米填料組成的復(fù)合水凝膠，其中納米片以傾斜的方式單向定向。之所以選擇氧化石墨烯納米片，是因?yàn)橛捎谄鋯卧雍穸?，它們在受到平面?nèi)壓縮時(shí)很容易彎曲。水凝膠向左剪切時(shí)的位移幾乎是向右剪切時(shí)的10倍。力-位移關(guān)系也描述了水凝膠的高度不對稱響應(yīng)，這是力學(xué)非互易性的有力證據(jù)。即使在單點(diǎn)施加剪切力時(shí)，水凝膠也表現(xiàn)出類似的不對稱行為。這種水凝膠被稱為非互反(NR)凝膠，表現(xiàn)出較大和較小剪切變形的方向分別被稱為較軟和較硬的方向
圖 對剪切力具有不對稱響應(yīng)的非互反凝膠的設(shè)計(jì)和性質(zhì)
氧化石墨烯方向依賴屈曲引起的不對稱剪切響應(yīng)
為了更定量地分析剪切的不對稱響應(yīng)，在±20%的應(yīng)變范圍內(nèi)測量了NR凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。結(jié)果表明左剪應(yīng)變?yōu)?20%時(shí)的彈性模量(EL)與右剪應(yīng)變?yōu)?20%時(shí)的彈性模量(ER)差異極大。通過研究NR凝膠沿y軸的透光率來監(jiān)測氧化石墨烯納米片在剪切變形過程中的排列變化，以分析不對稱響應(yīng)的來源。通過透光率、SAXS、應(yīng)力-應(yīng)變曲線、SEM等多種表征結(jié)果表明，這種不對稱響應(yīng)源于納米填料的方向依賴屈曲。
圖 氧化石墨烯納米片在NR凝膠中的方向依賴屈曲導(dǎo)致剪切力不對稱響應(yīng)
引導(dǎo)質(zhì)量傳遞和定向旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能
非互易機(jī)械系統(tǒng)有望以定向的方式引導(dǎo)機(jī)械能。在本工作中這種轉(zhuǎn)換是通過NR凝膠的振動剪切變形實(shí)現(xiàn)的，這種變形在頻率、振幅和峰值形狀方面都是高度不對稱的。利用不對稱振動，實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)的有效矢量傳輸，基于此，作者展示了水滴傳輸實(shí)驗(yàn)。作為一種均勻的材料，凝膠的一個優(yōu)點(diǎn)是其良好的可設(shè)計(jì)性——它可以被制造成任何形狀或大小的碎片，并且這些碎片可以根據(jù)需要組裝。利用這一點(diǎn)，通過組裝六個扇形NR凝膠片開發(fā)了一種設(shè)備，可以將振動噪聲轉(zhuǎn)換為設(shè)備車輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。旋轉(zhuǎn)裝置相當(dāng)穩(wěn)定，能耐受外界機(jī)械干擾，方向可控。
圖 NR凝膠將對稱振動轉(zhuǎn)化為非對稱振動及在定向質(zhì)量傳遞和旋轉(zhuǎn)中應(yīng)用
操縱物體和生物的方向移動
除了整個凝膠的整體變形外，NR凝膠的另一個顯著特征是其局部變形時(shí)的行為。例如，當(dāng)平行于y軸鋪設(shè)的直徑為2mm的金屬圓筒被垂直推到NR凝膠表面時(shí)，它顯示出高度不對稱的變形。這種變形可以歸因于屈曲只發(fā)生在左側(cè)。NR凝膠的不對稱變形與基于有限元分析的理論預(yù)測一致。這一理論研究還表明彈性應(yīng)變的高度不對稱分布:較軟的一側(cè)比較硬的一側(cè)顯示出更高的應(yīng)變。由于這種不對稱變形， NR凝膠獲得了誘導(dǎo)與之相互作用的物體定向運(yùn)動的潛力。作者證實(shí)了即使是微米大小的物體也會引起NR凝膠的不對稱變形。
圖 NR凝膠局部壓縮不對稱變形及其在各種物體定向運(yùn)動中的應(yīng)用
總之，作者已經(jīng)開發(fā)了一種均勻的材料，它顯示出機(jī)械非互易性，并對各種類型的力表現(xiàn)出不對稱變形。這種材料可以誘導(dǎo)大范圍物體的定向傳輸，從宏觀物體到小型生物，在力學(xué)、能源和生物學(xué)等各個領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用。這種材料還可以拓寬當(dāng)前超材料系統(tǒng)的范圍，并激發(fā)更多現(xiàn)有互反材料無法實(shí)現(xiàn)的有趣設(shè)計(jì)。原則上，非互易材料的設(shè)計(jì)也適用于除水凝膠以外的各種彈性體。該材料可能會為非互易機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用鋪平道路，并激發(fā)非互易材料在其他物理系統(tǒng)中的發(fā)展，如光學(xué)和聲學(xué)。
參考文獻(xiàn)：
XIANG WANG, et al. Mechanical nonreciprocity in a uniform composite material. Science, 2023,380(6641): 192-198
DOI: 10.1126/science.adf1206
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1206
