日本理化学研究所（RIKEN）新兴物质科学中心Yasuhiro Ishida Science: 均匀复合材料中的机械不可逆性

石浩东大化所 2年前 (2023-04-14) 2049浏览

图图

 

  • 【导读】

机械不可逆性，即空间中两点之间机械量的不对称传输，对于开发能够引导、阻尼和控制机械能的系统至关重要。机械运动或能量，往往以风，波浪和振动的形式存在。然而，由于收集或操作困难等原因，大部分能量很少被使用。此外，机械能的不必要传播会导致有害影响，包括声音污染、对人类的伤害以及对车辆和基础设施的损坏。但是，如果机械能可以通过允许在特定方向上优先传输的材料来控制或使用呢？

二、【成果掠影】

近日，日本理化学研究所（RIKEN）新兴物质科学中心Yasuhiro Ishida教授和Xiang Wang等人报道了一种均匀的复合水凝胶，由于嵌入的纳米填料的方向依赖性屈曲，该水凝胶表现出显著的机械不可逆性。与相反方向相比，这种材料在一个方向上剪切时的弹性模量高出60倍以上。因此，它可以将对称振动转化为适用于质量传输和能量获取的不对称振动。此外，当受到局部相互作用时，它表现出不对称变形，这可以引起各种物体的定向运动，包括宏观物体甚至小型生物。这种材料可以促进非互易系统的发展，用于能量转换和生物操纵等实际应用。相关研究成果以“Mechanical nonreciprocity in a uniform composite material”为题在Science上发表。

 

三、【核心创新点】

√报道了一种均匀的复合水凝胶，由于嵌入的纳米填料的方向依赖性屈曲，该水凝胶表现出显著的机械不可逆性。与相反方向相比，这种材料在一个方向上剪切时的弹性模量高出60倍以上

 

 四、【数据概览】

图1 对剪切力具有不对称响应的非互易凝胶的设计和性能© 2023 RIKEN Center for Emergent Matter Science

图2凝胶中GO纳米片的方向导致对剪切力的不对称响应。© 2023 RIKEN Center for Emergent Matter Science

图3凝胶将对称振动转换为不对称振动及其在定向质量传递和旋转中的应用© 2023 RIKEN Center for Emergent Matter Science

 

图4 凝胶在局部压缩时的不对称变形及其在各种物体的方向运动中的应用。© 2023 RIKEN Center for Emergent Matter Science

 

五、【成果启示】

本文开发了一种均匀的材料，该材料具有机械非互易性，并且在各种类型的力下表现出不对称变形。这种材料可以诱导各种物体的定向传输，这表明在力学、能源和生物学等各个领域的潜在应用。同时，这种材料还可以拓宽当前超材料系统的范围，激发更多有趣的设计，这是当前现有互易材料无法实现的。原则上，本设计的非互易材料也适用于水凝胶以外的各种弹性体。因此，本文可能为非互易机械系统的实际应用铺平道路，并激发非互易材料在其他物理系统中的发展，如光学和声学。

 

文献信息

原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1206

本文由图图供稿

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