科研进展丨金属含羞草:金属玻璃仿生 3D 屈曲结构

2022-08-17
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含羞草在抵御触碰、机械振动和风等外界的侵扰时,其叶片会自动闭合。但当外部刺激消失后,叶片又会重新打开。这是因为叶片内水的重新分配,使叶片一侧的细胞收缩,另一侧的细胞膨胀,从而在叶片两面产生尺寸错配。另外,植物生长造成的不同部分(叶脉和非叶脉部分)的尺寸差异,也会使花瓣和叶子存在自然弯曲和可被翻转的三维形状。受植物的启发,他们利用结构材料(金属玻璃)模拟震感植物的变形行为,利用金属玻璃和其部分区域晶化后的复合材料的尺寸错配效应产生的屈曲功能设计出三维(3D)结构的可开合的金属含羞草。这种屈曲功能可在电子器件及医疗器械上得到应用。

金属玻璃又称非晶合金,是实现形状可逆改变新型功能材料。它具有优异的力学性能、极大的弹性应变极限(~2%),特别是Fe基金属玻璃还具有优异的软磁性能。金属玻璃发生局部晶化后,其密度和模量相对增大,从而实现了晶化区收缩,使得金属玻璃区和晶化区之间具有合适的尺寸错配。近年来,材料的3D结构形状变换在驱动器、传感器、电感器、微电子机械系统、软体机器人、电子、医疗和航天器件等方面具有极大的应用潜力。虽然,金属玻璃的3D结构研究已经受到了广泛的关注,但尚未有报道提出金属玻璃能够实现仿生3D屈曲结构的形状变换。

近期,松山湖材料实验室/中国科学院物理研究所双聘研究员白海洋指导博士后李金凤等利用激光图案化技术诱导平行条纹的结晶,不仅设计了金属玻璃的3D屈曲结构,还实现了磁力控制 Fe 基金属玻璃含羞草仿生3D结构的形状变换。他们的实验发现,Fe基金属玻璃仿生3D屈曲结构具有可变,可逆和可控的特点(图 1)。

图 1  激光诱导仿生金属玻璃含羞草的 3D 屈曲结构展示

在弹性极限内,Fe基金属玻璃3D屈曲结构的形状变换由外部磁力控制可重复开合(视频1),甚至还可以通过外力(视频2)重新成形或翻转。

视频 1 外磁场刺激金属玻璃含羞草的打开和闭合

视频 2 金属玻璃含羞草的各种形态

这种仿生3D结构可被磁力控制连续开合至少20000次,其表面没有明显的疲劳裂痕。这种受磁力控制的金属玻璃花瓣开合行为,有望在医疗领域中实现应用,如血管支架、血管过滤器和微夹持器。他们利用能量最低原理解释了金属玻璃仿生3D屈曲结构的形成机制(图2);利用磁光克尔显微镜观察的金属玻璃区磁畴分布,分析了金属玻璃晶体复合结构内应力状态(图3);还发现弯曲结构的曲率半径(R)是由结晶条纹和玻璃条纹的线宽比控制的,总结了制造金属玻璃仿生 3D 结构的形成条件(图4)。

图 2 金属玻璃晶体复合结构的屈曲机制示意图。变形样品同时表现为沿着晶化线条方向和垂直于晶化线条方向的屈曲结构

图 3 激光处理对Fe-Si-B金属玻璃的磁畴分布和内应力分布状态

图 4 Fe-Si-B 金属玻璃条带3D屈曲结构的形成条件

该工作中采用一步成型、快速和可扩展的激光图案化方法设计制造金属玻璃3D 屈曲结构。这种方法可推广到通过改变材料不同部位的密度和/或模量,具有适当的尺寸错配的任何金属材料。这对开发金属玻璃的功能性应用具有重要的科学和技术意义;并对实现金属材料的 3D 屈曲结构具有启发和指导意义。

相关研究成果以“Metallic Mimosa Pudica: A 3D Biomimetic Buckling Structure Made of Metallic Glasses”为题于 2022 年 8 月 3 日在Science Advances上发表。上述研究工作得到了中科院战略性先导科技专项(XDB30000000),国家自然科学基金(52192600, 11790291, 61999102, 61888102, 51971239),北京市科学技术委员会(Z191100007219006),国家重点研发计划(2018YFA0703603)和广东省自然科学基金(2019B030302010)等的资助。

 

原文附件:SA22-Metallic glassy Mimosa pudica.pdf

 

撰稿:非晶材料团队