電磁超材料設(shè)計(jì)的案例
3D打印全新血管超材料，可經(jīng)重新配置改變熱和電磁特性
導(dǎo)讀：2021年8月18日，南極熊獲悉，來自北卡羅來納州立大學(xué)(North Carolina StateUniversity)研究人員開發(fā)出一種全新血管材料，并進(jìn)行了展示。這種材料可被重新配置，從而改變熱和電磁特性。
該研究論文的通訊作者、北卡羅來納州立大學(xué)土木、建筑和環(huán)境工程系助理教授JasonPatrick表示：“我們從生物體中發(fā)現(xiàn)的微小血管網(wǎng)絡(luò)中汲取靈感，并將這種微血管系統(tǒng)整合到用玻璃纖維增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)環(huán)氧樹脂中，本質(zhì)上是血管化的玻璃纖維。”
△圖片來源：北卡羅來納州立大學(xué)
Patrick還稱：“通過將不同的流體泵入脈管系統(tǒng)，我們還可以控制復(fù)合材料的多種特性。這種可重構(gòu)性極具潛力，可應(yīng)用于飛機(jī)、建筑物和微處理器等領(lǐng)域。”
這種超材料由3D打印技術(shù)制成，因此工程師能夠創(chuàng)建各種形狀和大小的微小管網(wǎng)絡(luò)，即微血管系統(tǒng)。這種微血管系統(tǒng)可以結(jié)合到一系列結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，包括玻璃纖維、碳纖維，以及用于防彈衣的高強(qiáng)度材料。
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將鎵和銦的室溫液態(tài)金屬合金注入脈管系統(tǒng)中，從而可以通過操控微血管結(jié)構(gòu)來控制超材料的電磁特性。具體來說，通過控制血管系統(tǒng)中包含的方向、間距和導(dǎo)電液態(tài)金屬，進(jìn)而控制材料過濾掉射頻頻譜中的特定電磁波。這種重新配置具有可調(diào)諧通信和傳感系統(tǒng)(例如雷達(dá)、Wi-Fi)的潛力，能夠按需在頻譜的不同部分運(yùn)行。
合著者、圣塔克拉拉大學(xué)(Santa Clara University)電氣工程助理教授Kurt Schab表示：“動態(tài)重新配置電磁非常有價(jià)值，特別是在尺寸、重量和功率限制極大激勵(lì)設(shè)備使用的應(yīng)用。這些應(yīng)用可以在系統(tǒng)中承擔(dān)多種通信和傳感角色。”
研究人員還通過相同的脈管系統(tǒng)循環(huán)水，并證明他們可以操縱材料的熱特性。
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模型中內(nèi)核是硬質(zhì)高密度材料，通常是鉛或者鐵，稱為振子，振子外面的中間層是軟質(zhì)彈性硅膠，外殼是硬質(zhì)樹脂，振子和彈性硅膠形成散射體，硬質(zhì)樹脂形成的空腔球稱為赫姆霍茲共振腔。基于COMSOL軟件對特征值求解分析作波矢參數(shù)的參數(shù)化掃描，得到特征頻率和振型模態(tài)的結(jié)果，如圖2所示。提取最低價(jià)的本征頻率，繪制了晶胞參數(shù)的頻帶結(jié)果圖，如圖3所示。
青島大學(xué)《JMST》封面：復(fù)合材料設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高性能電磁波吸收性能！
青島大學(xué)吳廣磊教授團(tuán)隊(duì)近期以采用松塔為碳源制備的Ni/NiO@C復(fù)合材料為研究對象，通過調(diào)整復(fù)合材料的制備工藝達(dá)到了調(diào)控復(fù)合材料中Ni與NiO比例的目的。研究表明，含Ni13.17%的Ni/NiO@C復(fù)合材料展現(xiàn)出優(yōu)異的電磁波吸收性能，最小反射損耗值（RLmin）在2.4 mm時(shí)達(dá)到了-51.1 dB，同時(shí)在2.7 mm時(shí)最大吸收帶寬（EAB，RL≤-10 dB）達(dá)到5.12 GHz。
背景介紹
電子通信設(shè)備的日益發(fā)展所引起的電磁波干擾已成為當(dāng)今世界亟需解決的難題。這些電磁波不僅會對人體健康造成危害，還會干擾正常的通訊交流。因此，探索并制備新型高性能電磁波吸收材料來降低電磁波的不利影響成為了當(dāng)下研究熱點(diǎn)。
近年來，磁/介電損耗型復(fù)合材料由于兼具磁損耗以及介電損耗的優(yōu)勢而被制備用于高性能電磁波吸收材料，同時(shí)異質(zhì)界面的增加也會進(jìn)一步增強(qiáng)材料體系的介電損耗能力。因此，對于復(fù)合材料各組分的合理設(shè)計(jì)對優(yōu)化復(fù)合材料的電磁波吸收性能具有重要意義。
展開 深度學(xué)習(xí)賦能的熱學(xué)超材料智能設(shè)計(jì)
來源 | Advanced Materials
01
背景介紹
通過設(shè)計(jì)熱學(xué)超材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，可實(shí)現(xiàn)熱流的操縱與控制，從而獲得超常熱功能，如：熱隱身、熱集中、熱偽裝、熱旋轉(zhuǎn)等。熱學(xué)超材料設(shè)計(jì)涉及高維設(shè)計(jì)空間、多個(gè)局部極值、巨大計(jì)算成本，以及熱學(xué)屬性與單胞結(jié)構(gòu)間多種對應(yīng)關(guān)系等，這給熱學(xué)超材料的智能設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，因此，開發(fā)出自動、實(shí)時(shí)、可定制化地設(shè)計(jì)熱學(xué)超材料的方法十分重要。
02
成果掠影
近日，華中科技大學(xué)高亮教授團(tuán)隊(duì)關(guān)于熱學(xué)超材料拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的最新研究成果提出了深度學(xué)習(xí)賦能的熱學(xué)超材料拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了自由形狀熱學(xué)超材料的智能設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的“熱隱衣”可屏蔽外部溫度場對器件內(nèi)部物體的干擾，實(shí)現(xiàn)主動隔熱，可用于熱敏元器件的熱防護(hù)。該方法采用深度生成模型，將拓?fù)涔δ軉伟怕时硎驹陔[空間，根據(jù)熱學(xué)超材料的定制功能需求，可自動、實(shí)時(shí)地生成具有目標(biāo)熱傳導(dǎo)張量的拓?fù)涔δ軉伟M(jìn)而快速生成熱學(xué)超材料。基于上述思路，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多種具有自由形狀、背景溫度獨(dú)立、全方向功能的熱隱身超材料，并通過數(shù)值仿真和熱學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其良好的熱隱身效果。該研究工作也為熱學(xué)超材料的智能設(shè)計(jì)提供了全新思路，可靈活實(shí)現(xiàn)不同背景材料、自由形狀和不同熱功能的熱學(xué)超材料的快速設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)熱學(xué)超材料設(shè)計(jì)中大規(guī)模有限元計(jì)算與反復(fù)優(yōu)化迭代所帶來的計(jì)算效率低的難題，進(jìn)一步推動了熱學(xué)超材料在航空航天、電子等領(lǐng)域的工程應(yīng)用。相關(guān)研究成果以“Deep-Learning-Enabled Intelligent Design of Thermal Metamaterials”為題發(fā)表于《Advanced Materials》。
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吉林大學(xué)楊英威教授課題組：新型大環(huán)芳烴受體的設(shè)計(jì)合成及其功能超分子材料的構(gòu)筑與應(yīng)用研究
新型超分子大環(huán)受體的設(shè)計(jì)與合成是推動超分子化學(xué)與材料研究領(lǐng)域蓬勃發(fā)展并使其走向應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是有機(jī)超分子化學(xué)和大環(huán)化學(xué)領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)的研究熱點(diǎn)之一。近幾年來，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院、納微構(gòu)筑化學(xué)國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室楊英威教授課題組在新型大環(huán)芳烴受體的設(shè)計(jì)合成及其超分子材料構(gòu)筑與功能開發(fā)等方面取得了系列研究進(jìn)展：
（1）設(shè)計(jì)與合成了系列具有大尺寸空腔和優(yōu)異固相主客體化學(xué)性質(zhì)的聯(lián)苯拓展型柱芳烴(圖1a)，并進(jìn)一步利用胸腺嘧啶功能化的聯(lián)苯拓展型柱[6]芳烴衍生物構(gòu)筑了一類新型熒光超分子組裝體系，同時(shí)借助超分子組裝誘導(dǎo)發(fā)光機(jī)制實(shí)現(xiàn)了對水中汞離子的高靈敏度、高選擇性以及低檢測限的熒光傳感檢測和快速吸附去除（Chem. Commun., 2016, 52, 5804; J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 4756; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 8967）；
(2) 設(shè)計(jì)
與合成了首例“去對稱性的”柱[6]芳烴衍生物，即“斜塔[6]芳烴” (圖1b)，并通過構(gòu)筑斜塔[6]芳烴的超分子晶體吸附材料，即斜塔芳烴非多孔自適應(yīng)晶體，實(shí)現(xiàn)了對溴代烷烴位置異構(gòu)體以及C6烷烴同分異構(gòu)體的高選擇性吸附分離（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 9853; Angew. Chem. Int.
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