Advanced Materials:展望材料学科学和工程新兴方向——力材料学

新材料的开发多依赖化学合成或改性,而特定的功能材料研发则需结合试错法(trial-and-error),效率有效。因此,有必要在材料化学之外,找到一个不同的材料功能化的杠杆。材料力学为表征材料的机械性质,提供了量化参数(如硬度、强度、韧度、挠度等)和理论模型(如Griffith微裂纹理论,Hall-Petch关系,位错理论等);而这些参数和理论多是对既定结构的材料进行机械性能分析、失效分析或工程安全评级,即“被动”校验。事实上,日常生活中,材料力学的先验知识和理论模型也偶被用以“主动”提升或改造材料性能,如钢化玻璃、榫卯结构、折叠纸艺术等。钢化玻璃,通过处理在表面形成压应力、内部形成张应力,来提升其承载、抗冲击以及热稳定性。榫卯结构使各个构件之间的结点互锁吻合,以构成富有弹性的框架,是中国木结构建筑的主要连接方式。折纸艺术与自然科学的结合,不仅衍生出折纸几何学,更广泛融入折叠式灯笼、软体机器人、宇航器太阳能展开版等方方面面。

通过总结自身研究经验和不用领域的研究趋势,新加坡南洋理工大学陈晓东教授与高华健教授,将这种基于力学和几何学来开发功能材料的新兴领域,定义为“力材料学(Mechanomaterials)”,并系统归纳了如何合理利用力-几何-性质(force-geometry-property)的关系,来对材料的功能化进行主动编程,赋予新的功能。这无疑将成为功能材料开发的新增长点。

依据其设计对象的特征尺度,可划分为四个水平的编程:a) 原子尺度; b) 分子尺度; c) 纳米尺度; d)微米尺度。

在原子尺度,外源性的应力可瞬态或永久改变材料的晶格或晶界,进而呈现出独特的功能或块材属性。早在90年代,应变工程(strain engineering)便被半导体行业用以制备应变硅(strained silicon),实现了更高的电子/空穴迁移率和性能更佳的晶体管。对新兴的卤化物钙钛矿施以应力工程,更可减小带隙并提升能量转化效率。某些晶体或高分子材料在受到定向应力时,其晶体在垂直于应力的两侧表面上分别带有等量的相反电荷,从而产生瞬态偏压,即表现出压电性。而加工硬化,则可引发晶粒细化,从而提升晶体材料的强度。

在分子尺度,机械应力可参与化学键的断裂与重组(即mechanochemistry)。近些年,双网络的凝胶体系,则通过引入柔性(可拉伸)和刚性(能量耗散)网络分子的相互穿透,解决了常规凝胶机械强度差的劣势,拓展了其应用场景。在既有的两个高分子网络界面处引入新的分子互锁(molecular interlocking)网络,则可实现界面拓扑粘附(Topological adhesion)。

在纳米尺度,机械力也常用于纳米材料的制备及其可控自组装。利用胶带“手撕”石墨烯,不仅启发了其他“力学剥离(mechanical exfoliation)”的方法,并开启了石墨烯的时代和二维材料的篇章。利用毛细力和咖啡环效应,则可高效、有序组装零维和一维纳米材料,提升基于纳米材料的光电器件性能。

在微米尺度,结构化的材料可表现出与同组分块材明显差异的性能。半导体材料的厚度降到亚微米甚至纳米水平可显著改变其抗弯刚度,极大地衍生了种类繁多的多功能柔性晶体管器件。引入特定平面内/外几何形状(如蛇形曲线,剪纸,折纸,周期性褶皱)则不仅实现了二维甚至三维可拉伸光电器件,亦新型致动器及软体机器人。模拟生物多级结构材料(如竹子、贻贝、壁虎脚等),则可提升材料自身机械性能或可控界面粘附。

不难看出,仅仅在材料功能化过程中合理运用不同尺度的力学与几何学先验经验,便足以衍生出功能繁多的新型功能材料和新型应用领域。合理运用应力可有效实现材料的主动编程,常用技术如机械化合金、机械剥离、磁力搅拌晶体生长、转印法、界面里驱动自组装等。几何形状可决定材料的力学等性能;反之,合理的运用几何学,亦可得到预编程的变形体(metamprhoses),用以制备新型柔性电子器件或软体机器人等。在力材料学中,常用几何学途径包括蛇形结构、褶皱、剪纸术、折纸术、超材料、机械互锁机制、梯度材料等。

需要强调的是,力材料学的制备虽始于力学和几何学,但不限于此。因其独特的力学、光学、电学及生物学性能,力材料学已广泛应用于多个领域,如新型制动器、机械变色材料、光子晶体、可穿戴/植入式传感器、能量收集存储、再生力学医学等多个领域。同时,力材料学仍处于其婴儿期,如何更高效、灵活地通过力学和几何学来制备功能性材料,其潜力势必需要更多的跨领域研究者共同开发。陈晓东教授与高华健教授也提出一个闭环的程序化制备功能性力材料的流程建议:从目标性能出发,基于模拟和先验经验(力-几何-性能)制定设计方案,利用前沿技术实施制备,并在设计端和实施端辅以机器学习进一步完善/更新先验经验。有理由相信,力材料学的兴起将大大提高功能材料研发的效率,这需要更多相关交叉领域的从业者积极参与和推进!

论文信息:

Mechanomaterials: A Rational Deployment of Forces and Geometries in Programming Functional Materials

Pingqiang Cai, Changxian Wang, Huajian Gao*, Xiaodong Chen*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202007977

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202007977