Advanced Materials:定义新领域——力材料学(Mechanomaterials)

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,效率有限。因此,有必要在材料化学之外,找到一个新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。

另一方面,这些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。在日常生活中,如钢化玻璃、榫卯结构、折纸艺术等均在不改变材料组分的前提下开发出了新异的功能。通过总结自身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等将一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,这有望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,Mechanomaterials可划分为以下四个水平的编程:

a) 原子尺度外源性应力可瞬态或永久地改变材料的晶格大小或晶界,从而赋予其独特的功能或块材属性。例如,半导体行业通过制备应变硅,获得了更高的电子/空穴迁移率和性能更佳的晶体管。通过应力工程,可将卤化物钙钛矿的带隙大幅减小并提升其能量转化效率。压电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带有等量的相反电荷,从而产生瞬态偏压,即压电性。加工硬化则引发晶粒细化、提升晶体材料的强度,可用于金属材料表面强化。

b) 分子尺度; 机械应力能够诱发化学键的断裂与重组,即“力化学”。双网络凝胶通过柔性(可拉伸)和刚性(能量耗散)网络的相互穿透,实现了优异的机械强度,拓展了其应用场景。将新的分子互锁网络引入至两个既有的高分子网络界面,则可实现界面拓扑粘附。

c) 观尺度;机械力也常用于纳米材料的制备及可控自组装。手撕胶带等“力学剥离”方法开启了石墨烯的时代和二维材料的新篇章。利用毛细力和咖啡环效应,则可高通量有序组装低维纳米材料,实现基于纳米材料的光电器件的高效制备。

d) 观尺度;微结构化的材料可表现出不同于同组分块材的性能。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,从而衍生了可弯曲、可折叠等柔性晶体管。引入平面内/外几何形状(如蛇形曲线,剪纸,折纸,周期性褶皱)则可制备可拉伸光电器件,同时获得了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。

可见,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场景。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(metamorphoses),用以制备新型柔性电子器件或软体机器人等。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。

新加坡南洋理工大学陈晓东教授与高华健教授为论文共同通讯作者。

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