滴入一滴液體，材料的微結構從三角形網(wǎng)格變成了六邊形網(wǎng)格，這一拓撲結構變換的過程僅需要10秒鐘。

“我們工作的一個重要的亮點就是實用性，它具有制造簡單、變換速度快、變換穩(wěn)定、高度可重復、抗疲勞性強等特點，這些都是工業(yè)應用里很重要的條件。”本科畢業(yè)于浙江大學、現(xiàn)為哈佛John A.Paulson工程與應用科學學院博士生的鄧博磊在接受澎湃新聞（www.dbgt.com.cn）記者采訪時如是總結其最新成果。

北京時間4月14日23時，頂級學術期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了哈佛大學團隊的一項研究，題為“Liquid-induced topological transformations of cellular microstructures”。鄧博磊和李姝聰二人為該項研究的共同第一作者，李姝聰本科畢業(yè)于清華大學，現(xiàn)為哈佛大學化學與生物學系博士生；該論文通訊作者系頂級材料學家Joanna Aizenberg教授。

尋找一種有效的方法改變材料的微觀結構，從而改變材料屬性，這是李姝聰和鄧博磊這項工作中的追求。論文中寫道，微結構的基本拓撲結構可以深刻地影響它們的聲、電、化學、機械和光學特性，以及熱、流體和粒子的傳輸。

“微結構其實是個非常有意思的方向，因為在尺度上微結構的基元對于應用來說很小，但是它對于材料分子來說又很大。在新興的超材料領域，研究者們可以只調控基元的幾何形狀就可以改變整個結構的某些屬性，而不再需要去重新合成新的材料。”

然而，實現(xiàn)微結構的拓撲變換并非易事。此前有研究用液體溶脹、溫度加熱、電場等來實現(xiàn)微孔結構變形，“但是這些變形從來沒有改變過結構的拓撲結構?！焙螢橥負浣Y構？鄧博磊形象地介紹道，“節(jié)點的數(shù)量、孔洞的數(shù)量，或者一個節(jié)點連出去幾條邊，以六邊形為例，它變形成另一個變形的六邊形時，每個節(jié)點還是三條邊連出來，總的孔洞數(shù)也是一樣的，節(jié)點數(shù)也是一樣的，這就意味著沒有改變拓撲結構?！?/p>

在這項研究中，研究團隊選取一種高分子材料為實驗對象，僅采用兩種液體，即實現(xiàn)了微觀結構拓撲結構的可逆轉換。值得一提的是，他們設計的這一結構轉換主要的機理還具有很強的普適性，“我們提出的這種拓撲變形方法并不局限于某種特定的高分子材料或溶液，而適用于多種普適的高分子-溶液組合?！崩铈斞a充道。

李姝聰對澎湃新聞記者介紹道，“我們用的制造方法是微結構翻模，已經(jīng)是一種非常成熟的制造方法，在工業(yè)界已經(jīng)有了廣泛應用，制造用到的材料也是比較常見的材料，所以大規(guī)模制造并沒有太多技術上的問題?！?/p>

他們在這項研究中展示了他們的微結構拓撲結構轉換的方法可以有一系列的應用?！皩Σ牧媳砻媪W、潤濕性、聲學帶隙的調控，對顆粒、氣泡的抓取和釋放，以及信息的加密存儲和讀取?！?/p>

“我們當然可以設想將這種微結構鋪設在飛機或精密機械的表面，從而可控動態(tài)地改變他們的表面性能；又比如通過對顆粒和氣泡抓取和釋放實現(xiàn)非常精細的化學反應控制，例如應用于微型化學反應器等等?！钡嚥├谕瑫r強調，“我們的研究還處于基礎科研階段，現(xiàn)在推測它的工業(yè)或生活應用可能還有些天馬行空?！?/p>

他們期待，這項工作可以被更多的工業(yè)研發(fā)人員看到，從而催生出真正有用的工業(yè)級應用。

微結構拓撲變換策略。

南方科技大學材料科學與工程系于嚴淏教授對澎湃新聞（www.dbgt.com.cn）記者表示，材料功能變革的重要突破窗口之一是實現(xiàn)微結構，尤其是拓撲微結構的動態(tài)可調，但體系的高復雜度導致拓撲微結構調控十分困難，是新材料研發(fā)的重要挑戰(zhàn)。

他評價此項研究稱，“該工作巧妙設計了溶劑溶脹和揮發(fā)在分子和微結構兩個尺度上產(chǎn)生的耦合熱力學和動力學過程，首次實現(xiàn)了系統(tǒng)可逆的拓撲微結構變換。難能可貴的是該方法可應用到多種材料和微結構中，為實現(xiàn)材料系統(tǒng)力、熱、光、電、聲等多方面功能突破提供了全新的普適性方法?！?/p>

猶他大學波動力學超材料實驗室主任王派教授也對澎湃新聞（www.dbgt.com.cn）記者表示，“網(wǎng)格結構材料在現(xiàn)代工程中應用非常廣泛, 從幾十米幾百米級別的橋梁建筑，到微米納米級別的芯片器件，無所不在。近年來為了實現(xiàn)網(wǎng)格結構的可變可控， 全世界的各頂尖科研院所都嘗試了各種方法，也只能達到局部幾何形狀的微調漸變?！?/p>

他認為，“此次Aizenberg研究組發(fā)表的科研成果毋庸置疑是具有劃時代意義的。”王派表示，“這次研究終于實現(xiàn)了全局拓撲結構的突變，是從量變到質變的重大突破。并且在如此微觀的尺度上發(fā)明了一個方便易行的實驗方法，是了不起的創(chuàng)新。”

力學和化學的巧妙“配方”

加熱、電場等此前的一些方法未能實現(xiàn)微孔結構的拓撲變換，究其原因，“這些方法都是一些非常宏觀的場，而宏觀的場一般就不能進行這些變化，因為這些變化需要在微孔節(jié)點附近做一些非常精細的操作?！崩铈攲ε炫刃侣劊╳ww.dbgt.com.cn）記者表示。

他們提出的方法基于液體蒸發(fā)。論文中提到，液體蒸發(fā)已經(jīng)被證明可以變形和組裝簡單的、獨立的微尺度結構。研究團隊設想，當液體應用到微孔結構上時，在相互連接的幾何結構上形成復雜的彎月面網(wǎng)絡，會產(chǎn)生以每個節(jié)點為中心的復雜局部力場，因此了提供比整體力場更精細的控制水平。

“液體在蒸發(fā)的時候，它會在節(jié)點處形成半月牙型的界面，這個界面會產(chǎn)生一種毛細力，這個毛細力一般是很小的，如果結構也很小的話，它就有可能使你的結構發(fā)生變形，這樣一個過程就很有可能用來改變這些節(jié)點的一些拓撲特性?！?/p>

鄧博磊形象地稱，“液體會自然地在每個角都形成這樣的毛細力，可以想象成有很多個小機器人在角上幫你一個個拉上，相比宏觀力場這是一種更巧妙的方法?！?/p>

相比之下，以三角形網(wǎng)格狀結構為例，如果是宏觀力場，它對每一條邊的作用都是同樣的，“想讓它從三角形網(wǎng)格變成六邊形網(wǎng)格，你需要對每一個節(jié)點施加一個向內像拉鏈一樣拉起來的力?！崩铈敺Q。

不過，在具體的應用中，他們還需要解決一個問題，就是這些“小機器人”力氣還不夠大?！懊毩σ话愫苄。@樣的變形其實還挺劇烈的，所以說一般情況下需要材料非常軟才行，但是非常軟的材料在加工和應用上都比較受限。”

團隊的另一巧思仍舊藏在這種液體中。他們利用液體進入材料溶脹材料，當材料被溶脹的時候，硬度就會下降很多。而在材料溶脹的同時，正好也是毛細力形成的時候，這樣就保證了毛細力總是作用在一個已經(jīng)被軟化的材料上。“所以這個毛細力就會有足夠的力讓它被組裝起來?！?/p>

為證明這種設想，他們選擇了室溫下處在玻璃態(tài)的高分子材料，一種基于聚丙烯酸酯的液晶彈性體 (polyacrylate based liquid crystalline polymer)。李姝聰展示了組裝效果，“這是我們做出來的微結構，每一個網(wǎng)格大概是100微米，也就是說10個網(wǎng)格加在一起是1毫米，這是非常小的，基本上肉眼不可見。我們加一滴丙酮液體之后，液體開始溶脹，溶脹之后，邊變長，這個東西會失穩(wěn)，液體再繼續(xù)蒸發(fā)的時候，可以看到產(chǎn)生的毛細力把剛才的三角形網(wǎng)格組裝成了六邊形網(wǎng)格?！边@一變形過程只需要10秒。

三角形網(wǎng)格組裝成六邊形并實現(xiàn)可逆變換的實驗表征。

這些巧妙的設計如何碰撞而來？起點在于2018年夏天，李姝聰彼時在做另一項課題，她在一次失敗的試驗中無意間觀測到了微結構中出現(xiàn)的某種組裝現(xiàn)象。她覺得這一現(xiàn)象很有意思，就找到鄧博磊一起討論，對力學現(xiàn)象較為敏感的鄧博磊即提出了一些假設和想法?！拔覀儚倪@個時候就開始著手設計新的實驗來探索研究結構的組裝行為?！?p>

對于這次的聯(lián)手合作，鄧博磊表示，“微結構拓撲變換的核心是一個二重尺度作用：結構尺度（微米尺度）和分子尺度的策略。結構變形和毛細力的作用是力學問題，分子尺度的高分子材料和溶液的相互作用材料的硬化軟化是化學材料問題。”

而這里面所涉及的正是他們二人分別擅長的領域。

如何“解鎖”六邊形實現(xiàn)結構可逆？

李姝聰?shù)热藴y試過，將變化完的結構進行加溫，或者泡在液體里很長時間，它仍然保持穩(wěn)定。而如此穩(wěn)定的情況下如何使其再次變回三角形網(wǎng)格結構？

她想到了一種雙組份溶液，即乙醇和二氯甲烷的混合物?！斑@兩種液體混合物加了之后，一種液體會突然溶脹，就相當于把材料給‘撕開’，然后另外一種液體實際上是作為一種穩(wěn)定劑，防止前面液體蒸發(fā)的時候又把它給組裝上。我們用了一個小小的技巧，讓它能夠變換回三角形?！?/p>

有趣的是，這種液體混合物通過各自比例的調配，還能解鎖一系列中間的結構狀態(tài)。

“當液體從材料里面蒸發(fā)走的時候，它會再有一個瞬時硬化，硬化回來的百分比是多少、以什么樣的速率硬化回來，這里有一個動力學的問題，所以調控兩個液體的比例，你就能獲得你想要的中間的狀態(tài)，而這所有的中間狀態(tài)，全都是穩(wěn)定的。”李姝聰表示。

“這些都是在微米級別的尺度，而且這些結構最開始就是一個三角形，你不用去造別的東西，你只需要造出一個三角形，然后你用一個不同比例的液體加進去，它就會出現(xiàn)各種不同的結構?！崩铈斶M一步形象地稱，“這就像一個小小的變形金剛一樣?！?/p>

值得注意的是，除了用兩種溶液巧妙解決了材料拓撲結構的可逆變換，他們還注意到了另一個細節(jié)。“我們以三角形為例，它把1個6條邊的節(jié)點轉化為3條邊的節(jié)點的時候，它其實有兩種方法，Y型或者倒Y型，兩種態(tài)是對稱的，但是當它們共存的時候就會出現(xiàn)缺陷，產(chǎn)生了相界面。”

鄧博磊說，從宏觀角度來看，就等于是有一些地方?jīng)]有組裝好，“在很多工業(yè)需求或者實際應用上，我們需要它組裝得很好，我們不希望它有相界面。”

針對這一問題，他們把一開始三角形的邊設計成有一定弧度，“這樣它會傾向于組裝成同一種相，一點點弧度就足夠讓它形成很好的組裝?！彼麄冊?厘米×1厘米的樣品上展示了這種方法。鄧博磊同時表示，在更大尺度上的大規(guī)模組裝，仍然可以做到均相組裝。

李姝聰強調，“我們提出的這種拓撲變形方法并不局限于某種特定的高分子材料或溶液，而適用于多種普適的高分子-溶液組合。”只要這個組合滿足如下條件：高分子材料在室溫下處于玻璃態(tài)，能被溶劑暫時溶脹從而大幅降低楊氏模量及玻璃態(tài)轉變溫度，以及能在溶液快速揮發(fā)時再度硬化。

“這樣一個暫時的溶脹或軟化的過程使得我們可以利用較為弱的毛細力來組裝由初態(tài)較硬的高分子材料制造的微結構，并且可以實現(xiàn)對網(wǎng)格的拓撲轉換所需要的大的拉伸和折疊。最后，溶劑將從材料中離開，溶劑揮發(fā)或硬化的機理保證了轉換后的結構良好的力學性質和實際應用?！?/p>

同時，這一方法還可以用于幾乎所有的幾何構型。他們在論文中展示了圓環(huán)網(wǎng)格、菱形網(wǎng)格等，“我們的理論模型告訴我們，毛細力喜歡把比較小的角組裝在一起，我們就可以在一定程度上預測它會組裝成什么樣?！?/p>

他們認為，這一機理具有很強的普適性，作為應用來講，“這也是我們體系的一個閃光點?！?/p>

拓撲變換原理的推廣。

信息加密、催化反應器……可期待的應用

“從原始狀態(tài)變成新的組裝的形貌，這里面的每一種變化，我們都有比較對應的應用?！崩铈斎绱苏劶斑@項研究的應用設想。

除上述構思巧妙、可逆變換等優(yōu)點外，李姝聰提到，這一方法非常容易大規(guī)模量產(chǎn)。“原先的微結構你想制造成多大都可以，你可以做十幾厘米乘以十幾厘米，甚至更大的硅片或者更大的模具，都很容易量產(chǎn)?！彼麄兩踔琳J為，鋪到車輛或者房屋表面都是有可能的。

從操作上來看，這項工作非常宏觀，“你直接液體滴上去就行了”，但是它們后續(xù)會自行完成很精細的工作。

“這個操作非常簡單，沒有經(jīng)過訓練的人也可以完成，就直接往上滴一滴液體就能完成非常穩(wěn)定的變形?！崩铈斀榻B稱，像1厘米×1厘米左右的樣品，整個組裝完成只需要十幾秒時間。相比之下，此前的一些變形方法需要長的多的時間，“尤其是越精細的調控，有的需要幾個小時來完成這種形變，而制造可能需要更長時間?！?/p>

他們在介紹中提到一種應用示范。“剛才提到通過設計弧度來設計它的相，我們其實可以刻意地設計一些相的分布，比如說把一部分設計成一種相，另一部分設計成另一種相，然后在它組裝之后就可以形成一些圖案，這些圖案在組裝之前是看不出來的，只有組裝之后才看得出來?！?/p>

他們以“哈佛盾”展示為例稱，“我們覺得這個可以用來做一些信息的加密，而且信息加密非常穩(wěn)定，它的信息儲存在每個節(jié)點里，只要區(qū)域里的每個節(jié)點都選擇一種相，然后區(qū)域外面的節(jié)點都選擇另一個相，它們的邊界一定存在?！?/p>

他們還展示了另一種應用的簡單設計?！叭切巫冃畏Q六邊形的過程中會有一些孔洞閉合，那么我們可以在孔洞閉合的時候，用它來捕捉某一些小顆粒?？锥幢旧碛幸欢ù笮?，所以它捕獲的顆粒也是有一定大小的，它可以用來篩選一些顆粒，大的顆粒它就不會被捕獲?！?/p>

李姝聰還舉例道，“在六邊形組裝完成之后，下面會有一個空腔，這其實意味再次被轉化成三角形的時候，里面的氣體會被釋放出來。其實我們就有一個比較好的方法來比較規(guī)整地來捕獲這些氣體，然后在特定的時候釋放出來。”理論上來說，這些氣體可以是一些會和溶液反應的活性氣體，“這樣的話其實可以用來實現(xiàn)催化等功能，相當于一個微米的反應器，而且可以控制得非常精細?！?/p>

研究還列舉了表面聲學響應、材料彈性、表面摩擦力等多種性能的改變。

網(wǎng)格結構拓撲變換的示例性應用。

而從實用的操作角度來說，他們的這一方法可以反復組裝很多次，“可以反復在六邊形和三角形之間變換很多次，而且每一次都很快，最后仍舊能得到很好的六邊形和三角形?！编嚥├谔岬?，組裝之后20天再去把它分解仍然可以實現(xiàn)拓撲結構的變化，“從時間上來說也可以支撐很久?！?/p>

更值得期待的是，他們認為這種方法還可以和其他方法結合使用?！耙环N材料在加溫之后，它會沿一個方向收縮，我們就可以進行階梯式的變形。比如可以先用我們的液體毛細力這種變形把它從一個菱形變成六邊形，然后再加溫，加溫的時候這個材料會收縮，所以它又可以變成像磚頭一樣的長方形?！?/p>

李姝聰稱，“這個例子其實可以說明，我們這個方法可以和很多現(xiàn)有的響應材料結合，這樣就可以實現(xiàn)更多的變形。”

“我們的機理其實是需要我們有一個能被溶脹的高分子，然后我們的溶劑能瞬時軟化它，又能瞬時硬化，所以它是不局限于某一種特殊的有某種特殊化學性質的高分子，非常多的高分子都能做到這樣一件事情。所以對于那些本身有光響應、熱響應、濕度響應性的高分子，都可以先用我們的液體給實現(xiàn)一種更復雜的結構，在這個復雜結構之上，會有一個再加一層的形變。”李姝聰補充道。

另外值得關注的是，他們下一步的研究計劃中，“對于在3D結構中使用類似的機理進行更復雜的結構變換很感興趣?！编嚥├诜Q，目前處于設計結構階段。另外，他們也在思考把結構尺度進一步做小到納米尺度，這樣結構的拓撲變換可以引起光學性質的變化，例如可調控光學超材料。

論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41586-021-03404-7