第一情报 ---材料工业

超材料研究热点纵览

供稿人:温一村  供稿时间:2019-12-2   关键字:超材料  手性超材料  声学超材料  3D打印  

“超材料”作为新型功能材料,本质上是一种人工微纳结构材料,其具备天然材料所不具备的特殊性质,通过特殊的微结构单元设计来调制电磁波和弹性波,展示出均匀材料所不具备的力、热、声、光学性能。美国领域智库“制造业前瞻联盟”(MForesight,由美国国家标准与技术研究院、国家科学基金会牵头组建)专门于2018年发布报告《超材料制造——通向工业竞争力之路》,认为超材料在2025年前将形成超过数十亿美元的市场,为美国创新和经济增长提供大量机遇,美国政府应采取各种措施推动超材料制造技术的研发及推广。该报告提出4个优先技术领域:(1)规模化制造技术,涉及纳米印压光刻、图案转移、增材制造、自组装技术等;(2)利用多种不同材料制造超材料,涉及高效材料制造工艺、新型材料工艺、材料连接技术、通过分子设计或新合金开发识别新材料等;(3)测量,涉及先进的多尺度计量方法、多材料结构的评估方法等;(4)设计与仿真,涉及多尺度仿真能力、周期性设计和仿真代码、工艺技术模型、为可制造性设计的代码、多重物理量计算代码、有效的逆设计方法(自上而下)等。

近期该领域的研究多集中在手性超材料、声学超材料等方向,3D打印技术在该领域的应用发展也极快,部分进展如下:

一、手性超材料性能和设计方法取得长足进步

手性超材料是一种能够基于光波或声波的手性特征,在更大的自由度上对其进行任意调控的超构材料。德克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队研制出一种高性能的超薄手性超材料,实现了光学手性特征的高度可调。研究人员通过将两层相同的金纳米孔阵列薄膜相互堆叠并以介质层隔开,形成二维moiré条纹,通过理论模拟和实验证实了近场耦合对手性光的影响,随后使用丝素蛋白薄膜作为间隔层,通过特定溶剂对丝素蛋白薄膜的溶胀特性调控,实现了近场耦合以及手性光学特征的主动调节。该超材料作为超灵敏传感器在检测低至200 ppm的痕量溶剂杂质时具有优于105 nm/RIU的超高灵敏度以及品质因子。美国东北大学的研究团队将深度学习应用与超材料的设计相结合,实现了三维手性超材料的自动设计和优化,克服了超材料传统设计方法中耗时、逐例数值模拟的缺点,从而极大提高了设计的速度、精确性和灵活性。

二、声学超材料效率不断提高

纽约城市大学在DARPA Nascent项目的资助下开发出一种可沿着边缘传输声波的声学超材料。该声学超材料基于拓扑原理,由特定排列方式的声波共振器组成,具有特殊的的声学带隙特性,当频率在一定范围之内时,声波只能沿着超材料的边缘传播,不受超材料中缺陷的影响,具有很高的效率。该超材料有望应用于超声波成像、声纳技术和水下声学等领域。南开大学的研究人员将编码超材料这一设计思路应用在声学系统中,并通过理论和实验表明该编码超材料表面具有实现复杂应用的实用性和潜力。

三、超材料借助3D打印技术实现快速发展

英国帝国理工学院模拟多晶材料,结合3D打印技术制成了一种全新人造超材料。该材料的强度得到了增加,但质量依旧很轻,内部晶格的不同区域具有不同的取向,比传统超材料更坚固,更耐损。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员制得了一种由填充铁磁流体的空心3D打印晶格结构组成的场响应机械超材料,潜在用途包括软机器人、光学外壳、智能装甲,该团队的下一目标是制得不需要手动铁磁流体注入步骤的单相材料。


相关TAG 
超材料研究热点纵览2019-12-02

注册成为正式用户,登陆后,获得更多阅读功能与服务!
转载本文需经本平台书面授权,并注明出处:上海情报服务平台www.istis.sh.cn
了解更多信息,请联系我们

§ 请为这篇文章打分(5分为最好)