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工程与材料科学部

    我国学者在金属玻璃含羞草仿生3D屈曲结构研究方面取得进展

    日期 2022-09-02   来源:工程与材料科学部   作者:陈克新 方方  【 】   【打印】   【关闭

    图 激光诱导仿生金属玻璃含羞草的3D屈曲结构展示

      在国家自然科学基金项目(批准号:52192600、11790291、61999102、61888102、 51971239)等资助下,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心白海洋研究员团队在金属玻璃的3D屈曲结构的设计和形状变换控制方面取得进展。相关研究成果以“金属含羞草:金属玻璃仿生 3D 屈曲结构(Metallic Mimosa Pudica: A 3D Biomimetic Buckling Structure Made of Metallic Glasses)”为题,于2022年8月3日在线发表在《科学进展》(Science Advances)期刊上。论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm7658。

      金属玻璃又称非晶合金,是实现形状可逆改变新型功能材料。它具有优异的力学性能、极大的弹性应变极限(~2%),特别是Fe基金属玻璃还具有优异的软磁性能。金属玻璃发生局部晶化后,其密度和模量相对增大,从而实现了晶化区收缩,使得金属玻璃区和晶化区之间具有合适的尺寸错配。近年来,材料的三维(3D)结构形状变换在驱动器、传感器、电感器、微电子机械系统、软体机器人、电子、医疗和航天器件等方面具有极大的应用潜力。虽然,金属玻璃的3D结构研究已经受到了广泛的关注,但尚未有报道提出金属玻璃能够实现仿生3D屈曲结构的形状变换。

      受植物含羞草的启发,研究人员基于金属玻璃模拟震感植物的变形行为,利用金属玻璃和其部分区域晶化后的复合材料的尺寸错配效应产生的屈曲功能设计出3D结构可开合的金属含羞草,实现了磁力控制Fe基金属玻璃含羞草仿生3D结构的形状变换。研究发现,Fe基金属玻璃仿生3D屈曲结构具有可变,可逆和可控的特点(图)。在弹性极限内,Fe基金属玻璃3D屈曲结构的形状变换由外部磁力控制可重复开合,甚至还可以通过外力重新成形或翻转。这种仿生3D结构可被磁力控制连续开合至少20000次,其表面没有明显的疲劳裂痕。利用能量最低原理解释了金属玻璃仿生3D屈曲结构的形成机制;利用磁光克尔显微镜观察的金属玻璃区磁畴分布,分析了金属玻璃晶体复合结构内应力状态;还发现了弯曲结构的曲率半径是由结晶条纹和玻璃条纹的线宽比控制的,并总结了制造金属玻璃仿生3D结构的形成条件。

      该工作中采用一步成型、快速和可扩展的激光图案化方法设计制造金属玻璃3D屈曲结构。这种受磁力控制的金属玻璃花瓣开合行为,有望在医疗领域中实现应用,如血管支架、血管过滤器和微夹持器。这种方法可推广到通过改变材料不同部位的密度和/或模量,具有适当的尺寸错配的任何金属材料。这对开发金属玻璃的功能性应用具有重要的科学和技术意义。