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清华大学陈常青教授课题组《Nat. Commun.》:揭示可控局域化变形静态孤立子
2019-12-10  来源:中国聚合物网

  12月6日,清华大学航天航空学院陈常青教授课题组在《自然·通讯》(Nature Communications)在线发表题目为“力学超材料中可编程静态拓扑孤立子”(Programmable and robust static topological solitons in mechanical metamaterials)的研究论文,利用力学超材料实现编程有序局域化变形的静态周期孤立子。

  孤立子作为一种具有特殊稳定性的时/空局域态,具有可靠传递信息和能量的潜力,普遍存在于非线性科学领域。局域化变形是材料和结构破坏的最主要形式之一,又因缺陷敏感,使得其位置和尺度随机而难以预测和调控。开发可编程的拓扑结构来控制孤立子,进而实现局域变形可控,克服缺陷敏感的缺点,不仅有助于材料和结构应用,也有助于光子/声子整流,以及软体机器人和功能器件的设计。

  该工作构建了一类多稳态力学超材料,在准静态均匀压缩载荷作用下,实现了有序局域变形,其本质是具有缺陷不敏感的静态拓扑孤立子。这一发现突破了固体中局域变形的位置、尺度通常随机而难以准确预测的传统认知。 

图1.准静态均匀压缩载荷作用下力学超材料激发出的有序局域变形静态孤立子的实验和数值模拟结果。

图2。力学超材料的一维双稳态模型和周期孤立子解,结果证实实验观察到的有序局域变形具有明显的静态孤立子特性。

  该研究进一步指出,有序局域变形的实现,并不依赖于特定的几何构型,其根源是外界载荷作用下元胞原位势与元胞间强耦合能的相互作用及其演化。这为采用力学超材料激发静态孤立子,实现缺陷不敏感、有序可控局域变形提供了一个机理性框架。

图3.可控有序局域变形的静态周期孤立子机理示意图:(a)元胞等效原位势能随压缩应变演化示意图;(b)多稳态系统结构相变机制与静态周期孤立子框架示意图;(c-d) 基于静态孤立子框架编程有序局域变形。

  清华大学航院陈常青教授为本文的通讯作者,微纳米力学中心博士生张亚飞为本文的第一作者。合作者还包括航院李博副教授郑泉水教授以及华盛顿大学Guy M. Genin教授。该项研究得到了国家自然科学基金委的支持。

  论文连接:

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(责任编辑:xu)
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