弗吉尼亚大学许宝星《Adv. Mater.》：从软硬材料融合到机械Janus结构概念的力学设计

在古罗马神话中，双面神（Janus）拥有前后两张面孔，展望着过去和未来。由此命名的“Janus 结构”是一类性质迥异的材料组成而成的结构的统称。随着合成技术的发展， Janus结构的定义被不断拓展，从最初的双面结构发展到涵盖不同几何形状、材料组成和功能特性的双层或多层结构。将这些具有迥异特性的不同材料设计在同一个结构上往往能赋予整体结构独特的性质和功能，因此Janus结构被广泛应用于化学合成、电子设备、医疗诊断、和生物传感等前沿领域。

受生物结构中软硬组织相结合的启发，弗吉尼亚大学(University of Virginia)许宝星课题组联合西北工业大学岳珠峰教授课题组首次提出了机械Janus结构（Mechanical Janus Structure）设计的新概念（如图1a）。机械Janus结构仅由软、硬两种材料构成，可由3D打印技术直接加工获得。由于材料组分迥异的力学性能，其结构单元能在外力驱动下发生精确可控的旋转。基于该独特的旋转特性，由机械Janus结构单元阵列组成的超结构能够实现丰富的形态变化与结构组织图案。作者提出了Janus结构旋转可控、可预测的力学理论模型，并结合一系列详实的实验和模拟系统地验证了结构的旋转机制。在此基础上，建立了机械Janus 单元结构以及组成的超结构的力学设计理论，并给出了通用设计策略。此外，针对机械Janus 单元独特的旋转机制，作者还进一步展示了其组成的超结构在声波调节和过滤方面的应用。该研究以“Mechanical Janus Structures by Soft-Hard Material Integration”为题于近日发表在Advanced Materials上，弗吉尼亚大学博士生张昊哲、西北工业大学杨未柱副研究员和弗吉尼亚大学博士后刘庆昌为论文共同第一作者，许宝星教授为论文通讯作者，合作者还有高远博士和岳珠峰教授。

图1a展示了3D打印的机械Janus 结构单元，该结构单元包含软（黑色）、硬（白色）两相材料。在刚性容器中，通过压缩加载和卸载可以趋势该结构单元发生旋转。作者建立了相应的力学理论模型，并揭示了旋转与结构设计之间的定量关系。

图1，机械 Janus结构及其旋转机理和力学模型

在外力的诱导下，由以上机械Janus结构单元组装的超结构可以实现多样的的图案变化。作者进一步建立了由机械Janus单元构成超结构的旋转力学理论（图2a），该理论基于机械Janus单元接触界面POS （pinned or sliding）状态，不仅可以预测Janus单元的旋转大小，还可以很好的预测其旋转方向（图2b），为实现超结构图案变化提供了理论基础。结合有序的、可控的力学加载路径，提出了对超结构图案变化的调控策略。

图2，机械 Janus结构所组成超结构图案变化的机理和力学模型

图3a, b 描述了机械Janus结构单元在不同加载路径下具有的旋转特性分析包括产生的旋转自锁行为。针对由机械Janus结构单元组装的超结构， 以4x4组成的结构为例，图3c中展示了一种初始图案通过两种不同的加载方法得到类似X的图案结果，而3d中展示了一种初始图案经由两种不同的加载方法得到截然不同的两个图案的结果。超结构的图案特征与其声波传播特性有着密切关联。

图3，Janus单元组成超结构的图案变化

图4a, b展示了Janus结构单元方向对其的声学带隙的影响。针对Janus单元组成的超结构，图4c,d展示了外力作用下由于超结构图案变化引起的声学特性变化，从而实现了滤波特性的调节功能。

图4，机械Janus结构以及组成的超结构在声波传播中的调节应用

机械Janus结构为力控功能结构提供了一种全新的、可拓展的应用途径。可以预期，对软硬材料的界面集成以及几何形状的进一步优化设计，在未来有望进一步丰富局部图案多样性，提高调控水平。并且，通过选用对外部非机械场(如电场、磁场或光场)敏感的软相或硬相材料，所设计的机械Janus结构单元及其组装的超结构还有望实现通过非接触方式进行结构组织调控。

封面来源：图虫创意