近日，哈佛大学Aizenberg组和Bertoldi组互助提出了一种只用一滴液体就能快速稳定反复可逆地改变蜂窝微构造拓扑特性，从而进一步调控材料特性的方法。该成果以Liquid-induced topological transformations of cellular microstructures为题揭橥在《Nature》上。本文的共同第一作者李姝聪和邓博磊均为哈佛大学在读博士生，本科分别毕业于清华大学化学系和浙江大学机器工程系。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03404-7
液体在蒸发时会在构造表面形成气液弯界面从而产生毛细力，一样平常情形下毛细力非常弱小不敷以让固体构造发生变形。但如果构造非常柔性，就有可能被毛细力变形乃至组装。举一个生活中的例子，被水浸湿的头发之以是会粘成一股，是由于在柔弱的发丝之间的毛细力浸染将它们粘连到了一起。利用这个事理，早期的科研事情者可以通过液体蒸发形成的毛细力，把基底上多少相互分离的微纳米细柱或薄板组装到一起，毛细力无孔不入的特性恰好供应了蜂窝构造拓扑变形所须要的风雅繁芜的局部力场，液体蒸发时在节点附近残留液体形成的气液界面，就彷佛一个个微型机器人精准地浸染在每个壁面上。然而与优柔分立的细柱/薄板不同，蜂窝构做作为一个互联的整体构造，它的变形和组装须要战胜大得多的阻力。
图1. 该团队提出的一种二重尺度共同浸染的软化-组装-硬化的策略
为理解决这个问题，该团队提出了一种二重尺度共同浸染的软化-组装-硬化的策略：加入的液体一方面在构造尺度（微米）形成大量气液界面，对构造施加局部毛细力；另一方面在分子尺度上通过溶胀其组成材料，实现高分子材料的暂时性软化（图1）。由于环境中的液体先于高分子材料里的液体蒸发，以是毛细力总是浸染在被软化的构造上，这大大降落了变形过程中的阻力，让弱小的毛细力也能组装蜂窝构造并终极改变它的拓扑特性。在所有液体从环境和高分子材料内部蒸发掉后，材料又会硬化回最初的杨氏模量来担保稳定良好的力学性能。
为了测试该方法的可行性，该团队用微构造翻模的方法，制造了一块三角形网格的蜂窝微构造（边长100微米，深70微米）。当加入一滴溶液浸没构造后，溶液会渗入高分子材料并实现软化。随着液体的蒸发，软化的壁面被节点处产生的毛细力两两组装到一起，每个节点的联结度(node connectivity)从六条边变成了三条边，最初的三角形网格也被重组成了六边形网格。当液体完备蒸发后，被转化为六边形网格的蜂窝构造重新硬化回最初的硬度，全体过程仅耗时10秒旁边（视频1）。比较于最初的微构造，组装后的构造在节点数量和联结度、孔洞的数量和大小以及壁面的厚度等构造属性方面都发生了改变（图2）。其余，组装后的构造无论是经由高温，还是一些溶液多日的浸泡，都能保持六边形构型，表现出了很强的稳定性。
视频1. 组装过程
图2. 三角形网格的微构造被一滴溶液被组装成六边形网格，实现了却构的拓扑变革
构造的高稳定性给解组装带来了一些寻衅：一些能高度溶胀材料的溶液，能通过引入剧烈形变撕开组装在一起的壁面，使得构造回到最初的构型，但由于毛细力总是浸染在被软化的构造上，溶液蒸发时该构造又将重新被组装起来。为了实现微构造的可逆拓扑变换，该团队奥妙地利用了双组分溶液来延缓毛细力的涌现，使其浸染于已经硬化的材料上，从而实现解组装（视频2，图3）。该团队创造通过调度两种溶液的比例，可以风雅地掌握毛细力（构造尺度）和软化/硬化（分子尺度）之间的动力学浸染，从而得到一系列其它丰富的微构型（图4）。
视频2. 解组装过程
图3. 利用双组份溶液解组装构造，组装后的六边形构造被转换回最初的三角形构型
图4. 除了六边形构造，通过调控双组份溶液的比例同一个三角形网格可以被转化成一系列不同的构型
该组装/解组装的机理不局限于分外的材料化学组分，适用于多种高分子材料，并且可以与本身具有环境相应性的材料结合实现多重形变。除了三角形网格，该团队通过理论模型的预测设计，实现了几种更繁芜网格构造的构造转化（图5）。
图5. 其他蜂窝微构造的拓扑变形
除了对材料和几何构造较好的普适性，该策略具有制造大略、构造变换快速、稳定、高度可重复等特点，具有很强的实用性和工业运用的潜力。该团队展示了一系列拓扑构造变换带来的潜在运用，包括信息的加密存储和读取，对颗粒、气泡的捕获和开释，以及对材料表面弹性、摩擦度、润湿性的调控等（图6）。
图6. 微构造的拓扑变形的部分潜在运用
末了，该团队还创造通过调度液滴的大小和位置，可以实现蜂窝构造的局部拓扑变换（图7），而这种方法可以进一步加强微构造变换的可控性和实用性。
图7. 构造拓扑变换的局部调控
同行点评：
南方科技大学 材料科学与工程系 于严淏教授: “材料功能变革的主冲要破窗口之一是实现微构造，尤其是拓扑微构造的动态可调，但体系的高繁芜度导致拓扑微构造调控十分困难，是新材料研发的主要寻衅。该事情奥妙设计了溶剂溶胀和挥发在分子和微构造两个尺度上产生的耦合热力学和动力学过程，首次实现了系统可逆的拓扑微构造变换。难能名贵的是该方法可运用到多种材料和微构造中，为实现材料系统力、热、光、电、声等多方面功能打破供应了全新的普适性方法。”
犹他大学 颠簸力学超材料实验室主任 王派教授: “这次Aizenberg研究组揭橥的科研成果毋庸置疑是具有划时期意义的 。网格构造材料在当代工程中运用非常广泛, 丛几十米几百米级别的桥梁建筑，到微米纳米级别的芯片器件，无所不在。近年来为了实现网格构造的可变可控， 全天下的各顶尖科研院所都考试测验了各种方法，也只能达到局部几何形状的微调渐变。这次研究终于实现了全局拓扑构造的突变，是从量变到质变的重大打破。并且在如此微不雅观的尺度上发明了一个方便易行的实验方法，是了不起的创新。这项研究利用的多尺度联动效应，是一个当化学碰着了力学而迸发的激情火花，引出了一个俏丽的罗曼蒂克，是跨学科研究的精良范本，对其他各领域的科研事情也颇具参考借鉴代价。”
感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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