刺激響應(yīng)微結(jié)構(gòu)，即在外界激勵下結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出可控可逆的變形，在軟體機(jī)器人、可調(diào)控超表面、高精度傳感與致動、生物器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前響應(yīng)微結(jié)構(gòu)的材料組分和驅(qū)動構(gòu)型一般是固定的，在外部驅(qū)動條件下往往只能呈現(xiàn)單一的變形模式，驅(qū)動具有一次性、不可重復(fù)編程等限制，制約了響應(yīng)微結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用。
應(yīng)對此挑戰(zhàn)，武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院工程力學(xué)系王正直副教授課題組提出了基于力學(xué)設(shè)計(jì)的固液核殼結(jié)構(gòu)，制備了可動態(tài)調(diào)控驅(qū)動變形模式的磁性微柱陣列表面，實(shí)現(xiàn)了對微柱彎曲變形的再編程驅(qū)動。微柱由彈性體空心殼與封裝于殼體內(nèi)部的液態(tài)磁性納米復(fù)合樹脂核構(gòu)成。在軸向磁場的作用下，樹脂內(nèi)磁性納米顆粒的空間分布可在單個微柱內(nèi)動態(tài)遷移（圖一左），進(jìn)而調(diào)節(jié)微柱在橫向驅(qū)動磁場下的彎曲變形。理論預(yù)測和實(shí)驗(yàn)表征發(fā)現(xiàn)，在相同的驅(qū)動磁場下，顆粒的不同分布（向柱根分布或向柱尖分布）可導(dǎo)致微柱彎曲角度變化一個量級左右（圖一右）。
圖一：核殼微柱結(jié)構(gòu)的動態(tài)調(diào)控機(jī)制（左），磁致微柱變形理論與實(shí)驗(yàn)對比（右）
進(jìn)一步，課題組利用模板復(fù)制技術(shù)將可動態(tài)調(diào)控的微柱組裝成陣列，實(shí)現(xiàn)了對微柱彎曲變形的定點(diǎn)、定量、程序化與再編程驅(qū)動。實(shí)驗(yàn)演示了再編程驅(qū)動微柱陣列在微觀字符動態(tài)顯示方面的應(yīng)用前景，通過循環(huán)施加全局和局部磁場，實(shí)現(xiàn)了對微觀字符的重復(fù)擦除與再寫（圖二）。該工作通過對傳統(tǒng)材料的力學(xué)設(shè)計(jì)與微結(jié)構(gòu)制備，為再編程刺激響應(yīng)微結(jié)構(gòu)提供了新的思路與方法。
圖二：再編程驅(qū)動用于微觀字符的動態(tài)顯示
以上成果以“Core-Shell Magnetic Micropillars for Reprogrammable Actuation”為題發(fā)表于ACS Nano。論文的共同第一作者為武漢大學(xué)工程力學(xué)系碩士研究生倪克，彭奇副研究員和高恩來副研究員，合作者包括武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院邵倩副研究員、北京理工大學(xué)前沿交叉院黃厚兵研究員和武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院薛龍建教授，通訊作者為王正直副教授。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.0c09298
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