张翔院士Nature子刊：非平衡伪晶中受控声子带隙的出现

【引言】

大自然向我们展示了，在不满足热力学平衡的条件下也能产生有序性。在活细胞、动物的群行行为乃至每天的天气中，我们都可以观察到这种现象。这些系统往往在动态自组装的过程中通过消耗能量从而实现在不满足热力学平衡的条件下产生并保持下来。在这种自我维持的过程中，能够产生具有仿生命行为的结构，这些行为包括自我愈合的能力、面对环境变化自我适应的能力以及自我复制的能力。所以说，非平衡材料为创造人造系统带来了灵感。

【成果简介】

近日，美国加州大学伯克利分校的张翔院士在Nature Materials上发表了题为“Emergence of an enslaved phononic bandgap in a non-equilibrium pseudo-crystal ”的文章。在这篇文章中，研究人员研究一种非均衡材料，其特征在于其带隙边缘受外部相干驱动波长的控制。该结构动态自组装成一个非常规的伪晶体几何结构，它们在元素之间平均分配动量。产生的带隙具有类似生命的行为，如自我修复的能力、针对驱动器的变化自我适应的能力。文章作者还推导出了空间组织和带隙特征的确切解析解，揭示了受控机制。这项工作为仿生非平衡材料的构想提供了框架，并且展示了通过外部自由度动态压印材料性质的潜力。

【图文导读】

图一：带隙出现在非平衡材料中

(a) 在粘性液体中填充有移动散射颗粒的单模波导。响应于从左侧入射的相干场（波长λ₀），颗粒沿x方向移动。红色列向量表示跨越结构的正向和反向传播场强，其中R_S是反射系数，T_S是透射系数。

(b) 透射光谱的时间演化显示带隙出现。曲线分别表示在t = 0,5,10,20,30min（黑色至红色）时拍摄的光谱。

(c) 带隙针对机械干扰的自我愈合（在t = 25分钟时发生干扰）。黑色、深红色、红色依次表示干扰之前、紧随干扰之后、自愈后拍摄的光谱。

(d) 带隙自适应外部驱动波长的变化。黑色、深蓝色、红色依次表示驱动波长为λ₀、0.9λ₀以及返回到λ₀时拍摄的光谱。

图二：伪晶的形成

(a) 显示粒子位置变化的原始数据（黑线）。颗粒最初沿着波导以12.5cm的间隔规则地分布，随后自组织成伪晶体。彩色区域用来标记d_n，虚线用来分开不同的p_nλ₀/ 2。

(b) d_n关于时间的函数。不同颜色对应于a中标记的区域。插图表示处于稳态的d_n（t = 30分钟）。

(c) 图一(c)中的自愈数据集所对应的d_n曲线。它们分别显示了干扰之前（黑色虚线，t = 20min）、紧随干扰之后（深红色曲线，t = 26min）以及自我愈合后（红色曲线，t = 30min）的d_n组织。

(d) 图一(d)的自适应数据集所对应的d_n图。黑色虚线、深蓝色曲线、红色曲线依次表示驱动波长为λ₀（t = 15min）、0.9λ₀（t = 30min）以及返回到λ₀（t = 70min）时的d_n组织。

图三：非平衡带隙出现的理论预测

(a) 平均场强(I)关于沿着波导的位置(x)的函数曲线。

(b) 由整数半波长(p_nλ₀/ 2)的非均匀分布分离的颗粒所对应的稳态强度分布I(x)。

(c) 对应于不同的反射系数（R = 0.01(蓝)，0.04(红)，0.16(黄色)，0.64(紫色)）的模π（颗粒n-1和n之间的稳态下积累的相）。黑点对应着图二(b)中的实验数据。

(d) 与图(c)相应的透射光谱，其p_n分布与图二(a)的实验所得相同。黑点表示实验数据（其中估算为0.04）。

(e) 三个N = 50的结构的图示，其中R = 0.02，但增加了标准偏差σ_p。这些结构由等效的Bloch晶体（见灰色图示）建模。

(f) 各个结构的透射光谱，黑色虚线对应于所预测的带边缘的位置。其中插图是(e)中显示的三个结构的p_n分布的直方图，每个数据点的大小对应于粒子分离数。

图四：位置和动量相空间崩溃

(a) N = 3系统的位置相位空间图。。

(d) 实验测得的每种粒子关于时间的变化函数。

【小结】

在这篇文章中，作者介绍了一种制备受驱动控制的非平衡带隙材料。这种系统通过相干动量共享自组织成非常规的伪晶体几何，并观察到了具有自我修复和自适应源波长变化的能力的声子带隙。这种方法可用于人造自我复制和演进系统的开发，并为开发人工生物材料以及仿人类决策的智能材料提供灵感。

本文由材料人编辑部计算材料组daoke供稿，材料牛整理编辑。

文献链接：Emergence of an enslaved phononic bandgap in a non-equilibrium pseudo-crystal（Nat. Mater.，2017，DOI: 10.1038/nmat4920 ）

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