人造材料
關注創建者：精靈鼠小妹 創建時間：2019-01-18
人造材料的實例教程
人造肌肉材料一直以來在仿生設計和柔性機器人方面都有著巨大的應用潛力。與傳統材料相比，聚合物基的人造肌肉材料擁有低密度、高彈性、易成型、低成本等優勢。通過化學結構以及聚合物構型的設計，可以實現大變形、自我修復、多重響應等綜合性能。而在所有聚合物基人造肌肉材料中，基于形狀記憶性能（SME）的形狀記憶聚合物（SMP）有著獨一無二的研究價值。因為其對于外界刺激產生的形變與刺激撤去之后的恢復行為對應著肌肉的收縮與釋放過程。近年來，大部分有關形狀記憶聚合物的研究是以熱作為刺激源，但無論是熱刺激或電熱刺激都會帶來包括直接接觸、傳熱不均等問題，從而影響驅動可控性。另一方面，在各類性轉記憶聚合物中，具有可逆循環特性的雙向與準雙向性轉記憶聚合物無疑更有前途，如半結晶聚合物（SCP）和液晶彈性體（LCE）。而傳統的半結晶聚合物雖然具有較好的延展性與自修復性能，但是其驅動響應性與可控性遠低于液晶彈性體；液晶彈性體雖然展現出良好的可控運動能力，但是較低的形變能力與脆性限制了其應用環境。
圖1. 新型人造肌肉材料的特殊縫合結構與多重響應示意圖。
針對上述聚合物基人造肌肉材料的困境，
上海交通大學劉河洲研究員和
陳玉潔副研究員團隊設計了一種
基于偶氮苯基團之間π-π堆疊的新型多重響應人造肌肉材料。復合體系以含有偶氮苯官能團的長鏈線性聚氨酯為基礎，類似針線穿過具有偶氮苯的液晶彈性體基體，形成了具有特殊縫合結構的聚合物基形狀記憶材料（圖1a）。
展開 近期英國帝國理工學院團隊發表了一項材料學最新成果，即一種全新人造超材料，該種材料強度增加但質量依舊較輕，這種材料是利用多向晶格，并結合3D打印技術制成，而其中新型晶格則是根據強金屬合金的基本原理設計的。
注：網絡配圖
晶格結構由重復節點和連接支柱組成，結合3D打印技術，制造出來的材料既輕便又堅固。然而，一旦這些材料失效，會帶來災難性后果，這限制了它們的實際應用。而失效的原因在于這些材料的結構——晶格整體取向單一。
同樣的現象也存在于金屬單晶中，其結構類似，內部會沿特定平面發生滑移而變形。不過，在包含不同取向晶粒的多晶材料中，晶粒邊界有助于阻止正在成形的滑移和裂縫進一步蔓延，因而可以提高這些材料抵抗變形的能力。
注：網絡配圖
此次，帝國理工學院科學家模擬多晶材料，設計了具有粒狀結構的新型晶格狀超材料，使內部晶格的不同區域具有不同的取向。
研究人員發現，粒狀超材料（又稱“變斑晶”）發生形變時，比傳統超材料更堅固，更耐損。與多晶材料一樣，“變斑晶”的強度可以通過縮小每個粒狀晶格區域的尺寸來增強。
研究團隊創造了在施壓后能夠扭變成不同構型的特殊“變斑晶”，模仿的是晶體材料中類似的重排。綜合而言，這些成果將會為科學界帶來更加堅固且適合于各種應用的輕型3D打印材料。
新材料迭代的速度，除了與科學家對物質基礎性狀的理解程度有關，還與新理論及相關驗證的效率有關，甚至與生產工藝、模擬工具的創新能力都息息相關。掌握其中的奧秘，學會調整某些參數，創造出符合生產、生活需求的全新材料，這就是化學家被喚作“魔法師”的重要原因。
來源：科技日報
展開 生物材料盡管由性能并不突出的簡單組元在相對溫和的條件下組裝而成，但卻表現出優異的綜合力學性能和功能特性，這主要得益于其跨越不同尺度的復雜而巧妙的組織結構，特別是由此帶來的獨特的變形與斷裂機制和強韌化機理。
近期，中科院金屬所材料疲勞與斷裂實驗室生物力學與仿生材料研究組劉增乾博士帶領研究團隊在金屬所“引進優秀學者”項目資助下，根據“認識自然–理解自然–學習自然”的思路，從材料科學角度揭示自然界中典型生物材料的組織結構及賦予其優異性能的關鍵機理，提煉天然與人造材料共性的優化設計原則，進而將其應用于人造材料體系，通過仿生設計實現人造材料的性能優化，從而改善并提高其抵抗疲勞斷裂的能力。
該研究組在系統闡明天然生物材料梯度設計的形式、原則及其起到的作用與機制的基礎上，首次提出了新型材料組織結構取向梯度的概念與設計原則，建立了組織結構取向以及變形過程中發生的結構再取向與材料力學性能之間的系統定量關系，闡明了梯度結構取向與再取向對力學性能的優化機理，提煉了改善材料綜合力學性能的仿生設計新思路，即通過控制微觀組織結構取向實現材料的局域剛度、強度與韌性的優化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學性能。
同時，該研究組首次發現，材料在加載過程中發生的組織結構再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠為實現綜合力學性能的改善提供有效的途徑，如圖1所示。
展開 【引言】
天然酶所存在的諸多問題（比如價格昂貴，穩定性低以及難以儲存等）限制了他的使用，同時也刺激了多種人造酶的發展。在這些人造酶中，納米酶被認為是新一代的酶類似物（擁有過氧化酶活性的磁性Fe3O4納米粒子于2007年被發現）。在2013年發表的第一篇納米酶的綜述中，納米酶被定義為擁有酶特性的納米材料。受天然酶啟發，納米酶擁有很多天然酶所不具備的優點，比如價格低廉、穩定以及可大量制備。納米材料獨特的生化性質不僅賦予了納米酶多種功能，還可以實現多種設計和廣泛應用。在過去的五年中，得益于納米技術、生物技術、催化科學和計算科學的迅速發展，擁有高性能酶活性的納米材料獲得了重大進展，包括控制酶活性、解釋催化機理和擴展應用。目前為止，全世界有200多家研究機構在積極從事納米酶研究，為其發展添磚加瓦。
【成果簡介】
南京大學魏輝教授課題組在Chem. Soc. Rev.上，發表了題為"Nanomaterials with enzyme-like characteristics (nanozymes): next-generation artificial enzyme (Ⅱ)"的綜述。這篇綜述覆蓋了各種類型的納米酶及其在生物傳感、診療和環境補救中的應用。除此之外，納米酶所面臨的挑戰和未來發展也在文章中被討論。
展開 模擬神經網絡的計算速度很大程度上取決于「人造突觸」的傳輸速度。
麻省理工學院的一個團隊要解決的就是這個環節。他們之前已經開發了一種人造模擬突觸，現在要做的是，搞個新材料，超越原來的老版本。
這次，他們在制造過程中利用了一種實用的無機材料，讓前文提到的可編程電阻器的運行速度達到了以前的版本的100萬倍，同時也實現了比人腦中的突觸快約100萬倍。
此外，這種材料還使電阻的能源效率極高。與早期版本的設備中使用的材料不同，新材料與硅制造技術兼容。這一變化使得在納米尺度上制造器件成為可能，并可能為整合到深度學習應用的商業計算硬件中鋪平道路。
這項研究論文已經發表在Science上。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.abp8064
論文的通信作者、麻省理工學院電氣工程和計算機科學系（EECS）的唐納教授Jesús A. del Alamo說：
「憑借這一關鍵發現，加上MIT.nano的強大的納米制造技術，我們已經能夠把這些碎片放在一起，并證明這些設備本質上是非常快的，可以在合理的電壓下運行。」
「該設備的工作機制是將最小的離子--質子--電化學插入絕緣氧化物中，以調節其電子傳導性。因為我們用的設備非常薄，所以可以通過使用強電場來加速這個離子的運動，并將這些離子設備推向納秒級操作」論文通信作者、核科學與工程系和材料科學與工程系的Breene M. Kerr教授Bilge Yildiz解釋說。
論文通信作者、巴特爾能源聯盟核科學與工程系教授和材料科學與工程系教授Ju Li說：
「生物細胞中的動作電位以毫秒級尺度上升和下降，因為大約0.1伏的電壓差受制于水的穩定性。"
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人造材料的最新內容
AI賦能超表面設計 | 突破光學設計局限10個月前
原文信息
原文標題：“AI for optical metasurface”
第一作者：Akira Ueno、Juejun Hu、Sensong An
超表面的特性與商業化需求
作為一種由亞波長單元構成的二維人造材料陣列結構，超表面能夠憑借特定的結構設計與排列，實現對光波相位、振幅和偏振的有效調控。歷經多年發展，超表面正逐步從實驗室邁向商業市場。
和硬磁（即永久磁石，含天然與人造）材料有很大的區別，所謂的軟磁性材料是其具備低磁性且具有高導磁率的材料。盡管這些材料暴露在外加強磁場時會變得具有強的磁化，但在該外加磁場去除之后能夠恢復沒有磁性（消除磁力）導致它們是特別有價值，因為電磁共生的效應，我們控制電流發生磁場，便可達到關閉與開啟磁場，這在電子電路版上有非常多的應用場景。
和硬磁（即永久磁石，含天然與人造）材料有很大的區別，所謂的軟磁性材料是其具備低磁性且具有高導磁率的材料。盡管這些材料暴露在外加強磁場時會變得具有強的磁化，但在該外加磁場去除之后能夠恢復沒有磁性（消除磁力）導致它們是特別有價值，因為電磁共生的效應，我們控制電流發生磁場，便可達到關閉與開啟磁場，這在電子電路版上有非常多的應用場景。
因此，使用模仿自然結構的人造材料已經成為一種有吸引力和時尚的方法。除了仿生結構設計之外，大自然還激發了人們對開發具有奇妙功能的智能復合材料的新見解。
圖2.NPCMs的自然原型。
隨后，一系列模仿自然功能的系統被開發出來。
因此，使用模仿自然結構的人造材料已經成為一種有吸引力和時尚的方法。除了仿生結構設計之外，大自然還激發了人們對開發具有奇妙功能的智能復合材料的新見解。
圖2.NPCMs的自然原型。
隨后，一系列模仿自然功能的系統被開發出來。近年來，隨著技術的發展，NPCM的功能仿生學有了很大的發展。盡管取得了巨大進展，但在這一進程中暴露出幾個關鍵問題。
研究具有負等效壓縮效應的多孔彈性超材料
研究人員的多孔彈性超材料是一種人造三維復合材料，當周圍環境產生的靜水壓力增加時，將發生各向同性的膨脹。大多數天然彈性材料的反應與之相反，當周圍的靜水壓力增加時，它們的體積會變小。
海綿是一種受多孔彈性現象影響的材料。
那么為什么超材料會膨脹呢？為了回答這個問題，讓我們來觀察一下超材料。
研究具有負等效壓縮效應的多孔彈性超材料
研究人員的多孔彈性超材料是一種人造三維復合材料，當周圍環境產生的靜水壓力增加時，將發生各向同性的膨脹。大多數天然彈性材料的反應與之相反，當周圍的靜水壓力增加時，它們的體積會變小。
海綿是一種受多孔彈性現象影響的材料。
那么為什么超材料會膨脹呢？為了回答這個問題，讓我們來觀察一下超材料。
--產業現狀--
在國際上，相關產品也只有少量半導體金剛石材料和金剛石探測器產品，尚未形成產業鏈，代表性企業有：
一、英國Element
Six（E6）公司，人造金剛石和超硬材料制造領域的國際龍頭企業，目前全球只有元素六公司出售超高純“電子級”（現稱“量子/探測器級”）單晶金剛石，其價格高、利潤大，且經常斷供。
近年來，隨著科學家們不斷推動機器學習的邊界，訓練日益復雜的神經網絡模型所需的時間、能源和資金正在飛速增長。「模型能建，訓練太慢」成為困擾越來越多研究人員的一個頭疼問題。
最近，被稱為「模擬深度學習」的人工智能新領域有望以更少的能源實現更快的計算。
可編程電阻器是模擬深度學習的關鍵部分，就像晶體管是數字處理器的核心元素一樣。
如果問地球上的最強物質是什么，大家可能會眾說紛紜，因為科技不斷發展，各種人造材料層出不迭。不過你知道嗎？世界上卻有一種叫做“核面食”的最強混合物。
核面食是什么？
說完了恒星的最終宿命之一“中子星”，我們再來聊一聊今天的主人公核面食。
