天然生物材料中普遍存在著軟硬材料組分有序排列的奇特現象。因此生物體能夠充分利用軟硬材料組分的協同效益用以構建先進復合材料。研究人員受天然復合材料的啟發，通過合理結合軟硬材料的特性，從而設計新型的先進復合材料，進一步擴展復合材料在聲學，電磁學，光學和力學等廣泛研究領域中的應用。近日，密蘇里大學機械工程系林見課題組聯合黃國良課題組，采用了類似的仿生策略設計了一種新型的自形變（self-morphing）軟硬復合水凝膠薄膜，并進一步探討了該材料在聲學超材料（acoustic metamaterials）中的潛在應用。相關成果以題為“Deterministic Self-Morphing of Soft-Stiff Hybridized Polymeric Films for Acoustic Metamaterials”發表在國際期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。
研究人員通過化學鍵將熱響應聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）水凝膠橫向粘合在剛性的SU-8片段上，從而得到了一種新型的自形變復合水凝膠薄膜（圖a）。PNIPAM水凝膠具有熱響應性，當環境溫度高于其轉變溫度 (transition temperature) 后，PNIPAM水凝膠會將內部的水分子排出去，導致體積收縮。而SU-8對溫度不具備響應性，升溫過程中其體積不產生變化。由于軟硬組分體積變化的不均一性，復合水凝膠薄膜因此產生屈曲（buckling），從二維結構形變為三維結構 (圖b)。同時研究人員發現該種軟硬復合水凝膠的自形變行為是高度可控的。而通過對照組實驗，研究人員發現全軟PNIPAM-PAAM復合水凝膠的形變行為是不可控（圖c）。為此研究人員通過有限元(finite element analysis, FEA)模擬（圖d和圖e），發現剛性組分（SU-8）在增強水凝膠薄膜形變可控性上發揮了重要的作用，它極大地增加了復合水凝膠薄膜從二維結構形變為三維結構所需克服的能量壁壘，從而有效地降低了自變形過程中的不可控性和不確定性。
接著研究人員通過不同的SU-8圖案設計，使得軟硬復合水凝膠薄膜能夠產生不同的可控形變，從而形成一系列復雜的三維結構。圖為三維結構的實物照片和有限元模擬結果。
最后研究人員將該軟硬復合水凝膠薄膜組裝成聲學超材料陣列。根據實驗和有限元模擬，研究人員發現該超材料陣列能夠有效的過濾掉4000-6000 Hz 和7000-9000 Hz這兩個頻域的聲學信號。證明了該復合材料在超材料領域的潛在應用。
該研究的意義在于，提供了一種新思路用于構建自形變復合材料。該方法對于可形變材料的研發有著重要的啟示作用，同時也將大大推動高分子材料在柔體機器人，傳感器、人工肌肉，超材料等領域的重要應用。
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c01115
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