蜂窩材料結構的拓撲特性，比如節點的數量、聯結度以及孔洞的數量和形狀，能在很大程度上決定蜂窩材料的聲學、電學、力學和光學等屬性。正因如此人們可以通過改變蜂窩的幾何結構(而不是其組成材料)來改變其整體屬性，從而給材料設計提供更大的空間。然而現有的利用溶脹、電磁驅動、力學失穩等宏觀力場來調控蜂窩結構形貌的方法，很難改變其上述拓撲特性。原因在于改變結構拓撲性質，一方面需要非常精細的局部力場在每個節點的周圍精準地折疊、拉伸和組裝每個壁，另一方面這類劇烈形變往往需要克服很大的結構阻力。
近日，哈佛大學Aizenberg組和Bertoldi組合作提出了一種只用一滴液體就能快速穩定反復可逆地改變蜂窩微結構拓撲特性，從而進一步調控材料特性的方法。該成果以Liquid-induced topological transformations of cellular microstructures為題發表在《Nature》上。本文的共同第一作者李姝聰和鄧博磊均為哈佛大學在讀博士生，本科分別畢業于清華大學化學系和浙江大學機械工程系。
液體在蒸發時會在結構表面形成氣液彎界面從而產生毛細力，一般情況下毛細力非常弱小不足以讓固體結構發生變形。但如果結構非常柔性，就有可能被毛細力變形甚至組裝。舉一個生活中的例子，被水浸濕的頭發之所以會粘成一股，是因為在柔弱的發絲之間的毛細力作用將它們粘連到了一起。利用這個原理，早期的科研工作者可以通過液體蒸發形成的毛細力，把基底上若干互相分離的微納米細柱或薄板組裝到一起，毛細力無孔不入的特性恰好提供了蜂窩結構拓撲變形所需要的精細復雜的局部力場，液體蒸發時在節點附近殘留液體形成的氣液界面，就好像一個個微型機器人精準地作用在每個壁面上。然而與柔軟分立的細柱/薄板不同，蜂窩結構作為一個互聯的整體結構，它的變形和組裝需要克服大得多的阻力。
圖1. 該團隊提出的一種二重尺度共同作用的軟化-組裝-硬化的策略
為了解決這個問題，該團隊提出了一種二重尺度共同作用的軟化-組裝-硬化的策略：加入的液體一方面在結構尺度（微米）形成大量氣液界面，對結構施加局部毛細力；另一方面在分子尺度上通過溶脹其組成材料，實現高分子材料的暫時性軟化（圖1）。因為環境中的液體先于高分子材料里的液體蒸發，所以毛細力總是作用在被軟化的結構上，這大大降低了變形過程中的阻力，讓弱小的毛細力也能組裝蜂窩結構并最終改變它的拓撲特性。在所有液體從環境和高分子材料內部蒸發掉后，材料又會硬化回最初的楊氏模量來保證穩定良好的力學性能。
為了測試該方法的可行性，該團隊用微結構翻模的方法，制造了一塊三角形網格的蜂窩微結構（邊長100微米，深70微米）。當加入一滴溶液浸沒結構后，溶液會滲入高分子材料并實現軟化。隨著液體的蒸發，軟化的壁面被節點處產生的毛細力兩兩組裝到一起，每個節點的聯結度(node connectivity)從六條邊變成了三條邊，最初的三角形網格也被重組成了六邊形網格。當液體完全蒸發后，被轉化為六邊形網格的蜂窩結構重新硬化回最初的硬度，整個過程僅耗時10秒左右。相比于最初的微結構，組裝后的結構在節點數量和聯結度、孔洞的數量和大小以及壁面的厚度等結構屬性方面都發生了改變（圖2）。另外，組裝后的結構無論是經過高溫，還是一些溶液多日的浸泡，都能保持六邊形構型，表現出了很強的穩定性。
圖2. 三角形網格的微結構被一滴溶液被組裝成六邊形網格，實現了結構的拓撲變化
結構的高穩定性給解組裝帶來了一些挑戰：一些能高度溶脹材料的溶液，能通過引入劇烈形變撕開組裝在一起的壁面，使得結構回到最初的構型，但因為毛細力總是作用在被軟化的結構上，溶液蒸發時該結構又將重新被組裝起來。為了實現微結構的可逆拓撲變換，該團隊巧妙地使用了雙組分溶液來延緩毛細力的出現，使其作用于已經硬化的材料上，從而實現解組裝（圖3）。該團隊發現通過調整兩種溶液的比例，可以精細地控制毛細力（結構尺度）和軟化/硬化（分子尺度）之間的動力學作用，從而得到一系列其它豐富的微構型（圖4）。
圖3. 運用雙組份溶液解組裝結構，組裝后的六邊形結構被轉換回最初的三角形構型
圖4. 除了六邊形結構，通過調控雙組份溶液的比例同一個三角形網格可以被轉化成一系列不同的構型
該組裝/解組裝的機理不局限于特殊的材料化學組分，適用于多種高分子材料，并且可以與本身具有環境響應性的材料結合實現多重形變。除了三角形網格，該團隊通過理論模型的預測設計，實現了幾種更復雜網格結構的結構轉化（圖5）。
圖5. 其他蜂窩微結構的拓撲變形
除了對材料和幾何結構較好的普適性，該策略具有制造簡單、結構變換快速、穩定、高度可重復等特點，具有很強的實用性和工業應用的潛力。該團隊展示了一系列拓撲結構變換帶來的潛在應用，包括信息的加密存儲和讀取，對顆粒、氣泡的捕獲和釋放，以及對材料表面彈性、摩擦度、潤濕性的調控等（圖6）。
圖6. 微結構的拓撲變形的部分潛在應用
最后，該團隊還發現通過調整液滴的大小和位置，可以實現蜂窩結構的局部拓撲變換（圖7），而這種方法可以進一步加強微結構變換的可控性和實用性。
圖7. 結構拓撲變換的局部調控
同行點評：
南方科技大學 材料科學與工程系 于嚴淏教授: “材料功能變革的重要突破窗口之一是實現微結構，尤其是拓撲微結構的動態可調，但體系的高復雜度導致拓撲微結構調控十分困難，是新材料研發的重要挑戰。該工作巧妙設計了溶劑溶脹和揮發在分子和微結構兩個尺度上產生的耦合熱力學和動力學過程，首次實現了系統可逆的拓撲微結構變換。難能可貴的是該方法可應用到多種材料和微結構中，為實現材料系統力、熱、光、電、聲等多方面功能突破提供了全新的普適性方法。”
猶他大學 波動力學超材料實驗室主任 王派教授: “此次Aizenberg研究組發表的科研成果毋庸置疑是具有劃時代意義的 。網格結構材料在現代工程中應用非常廣泛, 叢幾十米幾百米級別的橋梁建筑，到微米納米級別的芯片器件，無所不在。近年來為了實現網格結構的可變可控， 全世界的各頂尖科研院所都嘗試了各種方法，也只能達到局部幾何形狀的微調漸變。這次研究終于實現了全局拓撲結構的突變，是從量變到質變的重大突破。并且在如此微觀的尺度上發明了一個方便易行的實驗方法，是了不起的創新。這項研究使用的多尺度聯動效應，是一個當化學遇到了力學而迸發的激情火花，引出了一個美麗的羅曼蒂克，是跨學科研究的優秀范本，對其他各領域的科研工作也頗具參考借鑒價值！
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03404-7
