納米超材料可持久形變，為新一代智能電池提供新方向_風聞
Science_北京-不惧过往，不畏将来！2019-09-16 16:48
編譯／雷鑫宇 審稿／alone 責編／唐林芳
研究人員開發了一種用電化學驅動的納米結構超材料，其形變可逆且可控。該材料有望為新一代智能電池的設計提供新思路。
雖然大多數可重構材料已經具備了在兩種不同狀態之間切換的性能，但據phys.org網站報道，美國加州理工學院、喬治亞理工學院和瑞士蘇黎世聯邦理工學院的聯合研究團隊已更進一步，在Julia R. Greer實驗室開發了一種新型納米構架超材料，它可以根據需求排列成複雜的週期性晶格或非週期性自定義結構，從而表現出不同的物理性質。
該材料有望用於下一代能源儲存和生物植入微型設備。相關研究成果發佈於《自然》雜誌。
大多數形變材料都需要持續的外部刺激才能產生形變，以及維持形變狀態。例如，海綿在乾燥時是一種狀態，吸水之後才會膨脹。
相比之下，Greer等開發的納米材料是通過電化學驅動的硅鋰合金產生形變的，這意味着它可以精細地表達任何“中間狀態”，並且在移除刺激後保持形變結構。該材料的另一大優點在於，它的形變狀態很容易逆轉。
結構缺陷幾乎存在於所有材料中，它對材料性能有很大影響。Greer團隊選擇利用缺陷來賦予材料新特性。
加州理工學院研究生、論文第一作者Xiaoxing Xia説：“這項工作最有趣的地方是，我們利用了缺陷在動態響應架構材料中的關鍵作用。”
Greer等設計了一種覆硅晶格，其微觀直線結構可在電化學激發下彎曲，進而具備獨特的機械和振動特性。接着，Greer等使用超高分辨率的雙光子光刻3D打印工藝製造了材料。利用這種工藝，他們能夠在材料結構中按需構建缺陷。
在測試實驗中，Greer等利用這種材料製作了一張薄片，在電氣控制下，它顯示出了加州理工學院的logo。
Greer説：“材料與人一樣，正是這些不完美的缺陷讓它們變得更加有趣。我一直對材料缺陷很感興趣。Xia成功發現了不同類型的缺陷對超材料的影響，我們在此基礎上設計出了特定圖案，使其能在電化學刺激下顯現。”
Greer認為，超材料具有的精細可控的形變能力，在未來的儲能系統中頗具應用潛質。它可以提供自適應儲能途徑：使電池變得更輕、更安全、壽命更長。某些電池材料在儲能過程中會膨脹，反覆膨脹、收縮產生的應力會造成材料機械性能退化。新材料的良好自適應性可以完美地應對類似的結構轉換。
喬治亞理工學院航空航天工程學助理教授Claudio V. Di Leo總結説：“電化學活性超材料為開發新一代智能電池提供了新方向。我們正在開發計算工具來預測這種複雜的機電耦合行為。”
期刊來源：《自然》
期刊編號：0028-0836
原文鏈接：
https://phys.org/news/2019-09-metamaterial-morphs-properties.html
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