Adv. Mater.：折纸型可重构超材料，实现手性可控调节

【前言】

超材料，由亚波长结构单元的物理结构而不是化学成分组成，以其独特的材料特性引起广泛的关注。目前，超表面，即超材料的2D面，可通过调控界面处人工结构进而控制电磁波流量来设计电磁波的位相、极化和轨道。较3D超材料而言，平面的超表面展现出相对更低的损耗以及深次波长厚度，因而更适于片状集成。然而，一旦超材料和超表面形成，结构修饰是一个很大的挑战，会使得材料无法重构。

【成果简介】

折纸结构是折叠二维材料一个非常具艺术性的结构，正如一张平滑的纸转换成具复杂和修饰的3D结构。浙江大学陈红胜教授和美国东北大学Yongmin Liu（共同通讯作者）等人正以折纸结构为灵感，报道了折纸基超材料，其电磁响应可通过转换Miura-ori（三浦折法）式开口谐振环的折叠态进行动力学调控。Miura-ori单元沿着3D形态的变形诱发开口谢振环电和磁偶极子相互平行或反平行，导致强的手性响应。通过控制方向和动力学变形，当实现手性转换时，实验观测到材料圆形二色性高达0.6。此外，折纸超材料的相对密度仅为未折叠结构的2%。该研究成果将为轻质、可重构、可展开，且具备自定义电磁和机械性能设备的设计与研究开拓新的道路。

【图文导读】

图一、Miura-ori手性超材料结构图示

开口谐振环周期性排列形成手性超表面（图中）。一个Miura-ori单元（白线圈出）由四个位于相同四边形的开口谐振环组成。2D超表面可连续转换成3D手性超材料，及对映体A（左图）和B（右图），满足Miura-ori模式的折叠规则。手性转换通过改变平面超表面的变形方向实现。

图二、Miura-ori手性超材料的尺寸和手性响应

(a) Miura-ori手性超材料单元的大小。

(b) 圆形偏振波沿Z轴传播照射时，未折叠手性超材料的模拟透射光谱。

(c) 圆形偏振波沿Z轴传播照射时，对映体A的模拟透射光谱。

(d) 圆形偏振波沿Z轴传播照射时，对映体B的模拟透射光谱。

(e) 不同折叠角度，Miura-ori超材料的CD（圆形二色性）光谱。

(f) 不同折叠角度，Miura-ori超材料的特定CD曲线。

图三、Miura-ori超材料的可重构性

(a) 2D Miura-ori模式的制备（图中）及经过正向（图左）和负向（图右）折叠过程获得的两个对映体的照片。

(b) 测量具介质基底未折叠的Miura-ori模式的透射光谱。

(c-d) 测量折叠角度分别为+45和-45的对映体A、B的透射光谱，内嵌图为单个Miura-ori单元。

(e) 由(c)和(d)计算得到两个对映体CD光谱。

图四、Miura-ori超材料表面电流分布阐述内在手性响应机制

(a-b) 谐振频率6.9 GHz时，4个开口谐振环的方向(a)和表面电流分别(b)。4个谐振器均在面内点偶极子和面外磁偶极子不对称的状态工作。

(c) 对映体A一个单元的前视图

(d-e) 第一个(d)和第二个谐振模的表面电流分布。引发的电和磁偶极子在模式1有平行的组件，但模式2则为反平行，导致在两个谐振频率下Miura-ori超材料相反的手性。

图五、Miura-ori超材料的相对密度与折叠角度的关系

制备样的相对密度在顶角=60时达到最小值，较折叠前的平面超材料要轻98%。

文献链接：Origami-Based Reconfigurable Metamaterials for Tunable Chirality（Adv. Mater.，2017，DOI：10.1002/adma.201700412）

本文由材料人编辑部电子电工学术组大黑天【丁菲菲】供稿，材料牛编辑整理。

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