滴入一滴液體，材料的微結(jié)構(gòu)從三角形網(wǎng)格變成了六邊形網(wǎng)格，這一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(fù)、抗疲勞性強等特點，這些都是工業(yè)應(yīng)用里很重要的條件?！北究飘厴I(yè)于浙江大學(xué)、現(xiàn)為哈佛John A.Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)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(jié)其最新成果。

北京時間4月14日23時，頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了哈佛大學(xué)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(xué)，現(xiàn)為哈佛大學(xué)化學(xué)與生物學(xué)系博士生；該論文通訊作者系頂級材料學(xué)家Joanna Aizenberg教授。

尋找一種有效的方法改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以深刻地影響它們的聲、電、化學(xué)、機械和光學(xué)特性，以及熱、流體和粒子的傳輸。

“微結(jié)構(gòu)其實是個非常有意思的方向，因為在尺度上微結(jié)構(gòu)的基元對于應(yīng)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(lǐng)域，研究者們可以只調(diào)控基元的幾何形狀就可以改變整個結(jié)構(gòu)的某些屬性，而不再需要去重新合成新的材料?！?/p>

然而，實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的拓?fù)渥儞Q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(jié)構(gòu)變形，“但是這些變形從來沒有改變過結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。”何為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)？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?fù)浣Y(jié)構(gòu)?！?/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(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可逆轉(zhuǎn)換。值得一提的是，他們設(shè)計的這一結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換主要的機理還具有很強的普適性，“我們提出的這種拓?fù)渥冃畏椒ú⒉痪窒抻谀撤N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(jié)構(gòu)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(yīng)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(shù)上的問題。”

他們在這項研究中展示了他們的微結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的方法可以有一系列的應(yīng)用。“對材料表面力學(xué)、潤濕性、聲學(xué)帶隙的調(diào)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(dāng)然可以設(shè)想將這種微結(jié)構(gòu)鋪設(shè)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(xì)的化學(xué)反應(yīng)控制，例如應(yīng)用于微型化學(xué)反應(yīng)器等等?！钡嚥├谕瑫r強調(diào)，“我們的研究還處于基礎(chǔ)科研階段，現(xiàn)在推測它的工業(yè)或生活應(yīng)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(yīng)用。

微結(jié)構(gòu)拓?fù)渥儞Q策略。

南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系于嚴(yán)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(jié)構(gòu)，尤其是拓?fù)湮⒔Y(jié)構(gòu)的動態(tài)可調(diào)，但體系的高復(fù)雜度導(dǎo)致拓?fù)湮⒔Y(jié)構(gòu)調(diào)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(shè)計了溶劑溶脹和揮發(fā)在分子和微結(jié)構(gòu)兩個尺度上產(chǎn)生的耦合熱力學(xué)和動力學(xué)過程，首次實現(xiàn)了系統(tǒng)可逆的拓?fù)湮⒔Y(jié)構(gòu)變換。難能可貴的是該方法可應(yīng)用到多種材料和微結(jié)構(gòu)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(xué)波動力學(xué)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(jié)構(gòu)材料在現(xiàn)代工程中應(yīng)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(jié)構(gòu)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(dá)到局部幾何形狀的微調(diào)漸變。”

他認(rèn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的突變，是從量變到質(zhì)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?！?/p>

力學(xué)和化學(xué)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(jié)構(gòu)的拓?fù)渥儞Q，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(jìn)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(xì)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(jié)構(gòu)。研究團隊設(shè)想，當(dāng)液體應(yīng)用到微孔結(jié)構(gòu)上時，在相互連接的幾何結(jié)構(gòu)上形成復(fù)雜的彎月面網(wǎng)絡(luò)，會產(chǎn)生以每個節(jié)點為中心的復(fù)雜局部力場，因此了提供比整體力場更精細(xì)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(xì)力，這個毛細(xì)力一般是很小的，如果結(jié)構(gòu)也很小的話，它就有可能使你的結(jié)構(gòu)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?fù)涮匦??！?/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(xì)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(jié)構(gòu)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(nèi)像拉鏈一樣拉起來的力。”李姝聰稱。

不過，在具體的應(yīng)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?xì)力一般很小，而這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(yīng)用上都比較受限?！?/p>

團隊的另一巧思仍舊藏在這種液體中。他們利用液體進(jìn)入材料溶脹材料，當(dāng)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(xì)力形成的時候，這樣就保證了毛細(xì)力總是作用在一個已經(jīng)被軟化的材料上?！八赃@個毛細(xì)力就會有足夠的力讓它被組裝起來?！?/p>

為證明這種設(shè)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(jié)構(gòu)，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(xì)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(shè)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(jié)構(gòu)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(xué)現(xiàn)象較為敏感的鄧博磊即提出了一些假設(shè)和想法?！拔覀儚倪@個時候就開始著手設(shè)計新的實驗來探索研究結(jié)構(gòu)的組裝行為?！?p>

對于這次的聯(lián)手合作，鄧博磊表示，“微結(jié)構(gòu)拓?fù)渥儞Q的核心是一個二重尺度作用：結(jié)構(gòu)尺度（微米尺度）和分子尺度的策略。結(jié)構(gòu)變形和毛細(xì)力的作用是力學(xué)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(xué)材料問題?！?/p>

而這里面所涉及的正是他們二人分別擅長的領(lǐng)域。

如何“解鎖”六邊形實現(xiàn)結(jié)構(gòu)可逆？

李姝聰?shù)热藴y試過，將變化完的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)？

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(dāng)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(diào)配，還能解鎖一系列中間的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

“當(dāng)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(xué)的問題，所以調(diào)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?！崩铈敱硎尽?/p>

“這些都是在微米級別的尺度，而且這些結(jié)構(gòu)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(jìn)去，它就會出現(xiàn)各種不同的結(jié)構(gòu)?！崩铈斶M(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可逆變換，他們還注意到了另一個細(xì)節(jié)?！拔覀円匀切螢槔?，它把1個6條邊的節(jié)點轉(zhuǎn)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(dāng)它們共存的時候就會出現(xiàn)缺陷，產(chǎn)生了相界面?！?/p>

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(yīng)用上，我們需要它組裝得很好，我們不希望它有相界面?！?/p>

針對這一問題，他們把一開始三角形的邊設(shè)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。”他們在1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(diào)，“我們提出的這種拓?fù)渥冃畏椒ú⒉痪窒抻谀撤N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?！敝灰@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(zhuǎn)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(xì)力來組裝由初態(tài)較硬的高分子材料制造的微結(jié)構(gòu)，并且可以實現(xiàn)對網(wǎng)格的拓?fù)滢D(zhuǎn)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(zhuǎn)換后的結(jié)構(gòu)良好的力學(xué)性質(zhì)和實際應(yīng)用。”

同時，這一方法還可以用于幾乎所有的幾何構(gòu)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(xì)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(yù)測它會組裝成什么樣?！?/p>

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

拓?fù)渥儞Q原理的推廣。

信息加密、催化反應(yīng)器……可期待的應(yīng)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(yīng)的應(yīng)用?！崩铈斎绱苏劶斑@項研究的應(yīng)用設(shè)想。

除上述構(gòu)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(jié)構(gòu)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(rèn)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(xì)的工作。

“這個操作非常簡單，沒有經(jīng)過訓(xùn)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。”李姝聰介紹稱，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(xì)的調(diào)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(yīng)用示范?！皠偛盘岬酵ㄟ^設(shè)計弧度來設(shè)計它的相，我們其實可以刻意地設(shè)計一些相的分布，比如說把一部分設(shè)計成一種相，另一部分設(shè)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(yīng)用的簡單設(shè)計。“三角形變形稱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。运东@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(zhuǎn)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?！崩碚撋蟻碚f，這些氣體可以是一些會和溶液反應(yīng)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(dāng)于一個微米的反應(yīng)器，而且可以控制得非常精細(xì)?！?/p>

研究還列舉了表面聲學(xué)響應(yīng)、材料彈性、表面摩擦力等多種性能的改變。

網(wǎng)格結(jié)構(gòu)拓?fù)渥儞Q的示例性應(yīng)用。

而從實用的操作角度來說，他們的這一方法可以反復(fù)組裝很多次，“可以反復(fù)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。”鄧博磊提到，組裝之后20天再去把它分解仍然可以實現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，“從時間上來說也可以支撐很久。”

更值得期待的是，他們認(rèn)為這種方法還可以和其他方法結(jié)合使用。“一種材料在加溫之后，它會沿一個方向收縮，我們就可以進(jìn)行階梯式的變形。比如可以先用我們的液體毛細(xì)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(yīng)材料結(jié)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(xué)性質(zhì)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(yīng)、熱響應(yīng)、濕度響應(yīng)性的高分子，都可以先用我們的液體給實現(xiàn)一種更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在這個復(fù)雜結(jié)構(gòu)之上，會有一個再加一層的形變。”李姝聰補充道。

另外值得關(guān)注的是，他們下一步的研究計劃中，“對于在3D結(jié)構(gòu)中使用類似的機理進(jìn)行更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變換很感興趣?！编嚥├诜Q，目前處于設(shè)計結(jié)構(gòu)階段。另外，他們也在思考把結(jié)構(gòu)尺度進(jìn)一步做小到納米尺度，這樣結(jié)構(gòu)的拓?fù)渥儞Q可以引起光學(xué)性質(zhì)的變化，例如可調(diào)控光學(xué)超材料。

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