中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
EX4組供稿
第64期
2022年08月15日
金屬含羞草:金屬玻璃仿生3D屈曲結構

  含羞草在抵御觸碰、機械振動和風等外界的侵擾時,其葉片會自動閉合;當外部刺激消失后,葉片又會重新打開。這是因為葉片內水的重新分布,使葉片一側的細胞收縮,另一側的細胞膨脹,從而在葉片兩面產生尺寸錯配。另外,植物生長造成的不同部分(葉脈和非葉脈部分)的尺寸差異,也會使花瓣和葉子存在自然彎曲和可翻轉的三維形狀。受植物的啟發,這項研究采用結構材料(金屬玻璃)模擬震感植物的變形行為,利用金屬玻璃和其部分區域晶化后的復合材料的尺寸錯配效應產生的屈曲功能設計出三維(3D)結構可開合的金屬含羞草。這種屈曲功能可在電子器件及醫療器械上得到應用。

  金屬玻璃又稱非晶合金,是實現形狀可逆變化的新型功能材料,它具有優異的力學性能,極大的彈性應變極限(~2%),特別是Fe基金屬玻璃還具有優異的軟磁性能。金屬玻璃發生局部晶化后,其密度和模量相對增大,從而實現晶化區收縮,使得金屬玻璃區和晶化區之間具有合適的尺寸錯配。近年來,材料的3D結構形狀變換在驅動器、傳感器、電感器、微電子機械系統、軟體機器人、電子、醫療和航天器件等方面具有巨大的應用潛力。金屬玻璃的3D結構研究已經受到廣泛的關注,但尚未有報道提出金屬玻璃能夠實現仿生3D屈曲結構的形狀變換。

  近期,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室白海洋研究員指導博士后李金鳳等利用激光圖案化技術誘導平行條紋的結晶,不僅設計了金屬玻璃的3D屈曲結構,還實現了磁力控制Fe基金屬玻璃含羞草仿生3D結構的形狀變換。他們的實驗發現,Fe基金屬玻璃仿生3D屈曲結構具有可變、可逆和可控的特點(圖1)。在彈性極限內,Fe基金屬玻璃3D屈曲結構的形狀變換由外部磁力控制可重復開合(視頻1),甚至還可以通過外力(視頻2)重新成形或翻轉。這種仿生3D結構可被磁力控制連續開合至少20000次,表面沒有明顯的疲勞裂痕。這種受磁力控制的金屬玻璃花瓣開合行為,有望在醫療領域中實現應用,如血管支架、血管過濾器和微夾持器。他們利用能量最低原理解釋了金屬玻璃仿生3D屈曲結構的形成機制(圖2);利用磁光克爾顯微鏡觀察的金屬玻璃區磁疇分布,分析了金屬玻璃晶體復合結構內應力狀態(圖3);他們還發現彎曲結構的曲率半徑(R)由結晶條紋和玻璃條紋的線寬比控制,總結出制造金屬玻璃仿生3D結構的形成條件(圖4)。

  該工作采用一步成型,快速和可擴展的激光圖案化方法設計制造金屬玻璃3D屈曲結構。運用這種方法可改變材料不同部位的密度和/或模量,使具有適當尺寸錯配的任何金屬材料實現3D屈曲結構。這對開發金屬玻璃的功能性應用具有重要的科學和技術意義,并對實現金屬材料的3D屈曲結構具有啟發和指導意義。

  相關研究成果以“Metallic Mimosa Pudica: A 3D Biomimetic Buckling Structure Made of Metallic Glasses”為題于2022年8月3日在Science Advances上發表。上述研究工作得到了中科院戰略性先導科技專項(XDB30000000),國家自然科學基金(52192600, 11790291, 61999102, 61888102, 51971239),北京市科學技術委員會(Z191100007219006),國家重點研發計劃(2018YFA0703603)和廣東省自然科學基金(2019B030302010)等資助。

  文章鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7658

[video:視頻1 外磁場刺激金屬玻璃含羞草的打開和閉合]

視頻1 外磁場刺激金屬玻璃含羞草的打開和閉合

[video:視頻2 金屬玻璃含羞草的各種形態]

視頻2 金屬玻璃含羞草的各種形態

附圖:

圖1. 激光誘導仿生金屬玻璃含羞草的3D屈曲結構展示。

圖2. 金屬玻璃晶體復合結構的屈曲機制示意圖。變形樣品同時表現為沿著晶化線條方向和垂直于晶化線條方向的屈曲結構。

圖3. 激光處理對Fe-Si-B 金屬玻璃的磁疇分布和內應力分布狀態。

圖4. Fe-Si-B金屬玻璃條帶3D屈曲結構的形成條件。