近日，我所王兵教授课题组联合法国FEMTO-ST研究所Muamer Kadic副教授和Vincent Laude首席研究员在力学超结构/超材料方面取得研究进展，相关研究论文以《Single-Step-Lithography Micro-Stepper Based on Frictional Contact and Chiral Metamaterial》为题发表在《Small》上和以《3D Auxetic Metamaterials with Elastically-Stable Continuous Phase Transition》为题发表在《Advanced Science》上。论文第一作者分别为我所博士研究生谭小俊和王连超，论文通讯作者为我所王兵教授，哈工大为论文通讯单位。

1.  《Small》基于接触摩擦和手性力学超材料构造的微尺度步进器：设计、制备及表征

在过去几个世纪里，接触式机械一直扮演着至关重要的角色。在宏观层面上，驱动机制和由此产生的精度要求几十年来一直在提高，如传统驱动机构中的宏观（比如说，厘米）零件通常要求至少有微米级精度。但当涉及到小尺寸机构时，获得和组装此类系统非常复杂，因为精度必须相应缩放。在微观和纳米尺度上，对复杂机械系统的尝试大致可分为两种技术途径。一种是化学或生物机器人，它们没有明显的传统机械结构，通过物理场或自驱模式，可以实现某些特定功能，如药物递送等。另一种途径是通过先进制造和微装配技术实现复杂机械系统的小型化。然而，目前由于难以满足零件精度要求，几乎不可能在微型尺度上实现多零件的复杂结构，如机械发动机等。

本研究为克服微尺度复杂机械系统对零件成型精度要求的限制，受手性力学超材料（压扭超材料）启发，设计了一种新型微尺度步进器，并通过单步光刻工艺进行了结构制备。通过轴向加卸载驱动，结合锁定结构，该微尺度步进器实现了步进角为7.5°的步进旋转效果。在试验中，实现了极好的可重复性。此外，类似的机构可以在微尺度上广泛使用，例如集成到更复杂的设计中，以提供平移和旋转自由度。

图1 步进器设计

2.    《Advanced Science》具有弹性稳定相变的三维负泊松比力学超材料

众所周知，相变会影响材料的功能并改变其特性，进而影响其应用。在力学超材料中，结构相变可以通过某些单元结构的失稳或屈曲来实现。然而，从传统观念来看，不论是结构的失稳还是材料的屈曲都代表系统的失效，并且在这个过程中系统是处于不稳定的状态（亚稳态）。所以基于这种方式实现的力学超材料某种力学性能的相变往往是以牺牲其他力学性能为代价，因此限制了它们的应用。

在本文中，我们通过设计一种新型三维力学超材料来克服这一限制，该材料能够在大变形压缩下实现从正泊松比到负泊松比的相变。因为在整个过程中没有任何结构失稳或者材料屈曲发生，所以其等效切线杨氏模量没有显著降低（即相变是弹性稳定的）。我们利用双光子光刻3D打印技术制备了所提出的超材料，并通过理论、实验、仿真相结合表征了其在小变形和大变形下的力学性能。另外，通过适当的参数设计，该材料还能在压缩应变超过20%时仍然具有几乎不变的拉胀性能和等效切线杨氏模量。这种在大变形下展示出来的优异性能使其能够同时满足工程领域对材料的功能性和结构性的要求（即结构功能一体化）。

图1 三维负泊松比力学超材料的设计、制备和力学性能表征

以上研究工作得到了国家自然科学基金委、国家留学基金委、黑龙江省头雁计划、特种环境复合材料技术重点实验室基金、法国勃艮第弗朗士孔泰大区区域基金、哈工大青年科学家工作室的大力支持。

原文连接：

https://doi.org/10.1002/smll.202202128

https://doi.org/10.1002/advs.202204721