基于屈曲不穩(wěn)定性編碼的非均質(zhì)磁化實現(xiàn)軟材料結(jié)構(gòu)動態(tài)形貌的調(diào)控

擁有主動變形能力的三維可變形結(jié)構(gòu)在自然界中廣泛存在，可有效提高生物對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。受這一特性啟發(fā)，研究人員已開發(fā)了多種基于水凝膠、液晶高分子、硅膠彈性體等的軟材料體系，在外界不同條件的刺激下（如化學(xué)溶劑、溫度、酸堿度、光等），實現(xiàn)了各式三維結(jié)構(gòu)的可控形貌變換（Nature 2021, 592, 386；Nature 2019, 573, 205；Nature 2017 , 546, 632)。 但是，目前已有的方案主要基于軟材料形貌的準(zhǔn)靜態(tài)調(diào)制，如何實現(xiàn)多種尺度下多模態(tài)各向異性形貌與結(jié)構(gòu)的動態(tài)調(diào)控，非常具有挑戰(zhàn)性。

近期，香港中文大學(xué)張立教授團(tuán)隊與哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）金東東副教授，聯(lián)合香港城市大學(xué)張甲晨教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王柳教授，提出了一種新型的軟材料結(jié)構(gòu)動態(tài)形貌調(diào)控方法。該團(tuán)隊結(jié)合硬磁性顆粒與彈性體制備得到磁性彈性體，并使其在一端受限的條件下溶脹產(chǎn)生可控的屈曲結(jié)構(gòu)，接著加以磁化形成各向異性的三維磁疇分布。得到的磁性彈性體在外界可編程磁場的驅(qū)動下，能夠?qū)崿F(xiàn)多模態(tài)三維形貌的動態(tài)可控變換，在微流體操縱、軟體機器人等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果以 “Dynamic morphological transformations in soft architected materials via buckling instability encoded heterogeneous magnetization” 為題發(fā)表在國際著名期刊《Nature Communications》。

如圖1所示，該研究首先將未充磁的釹鐵硼微顆粒摻入硅膠彈性體前驅(qū)體中，在親水修飾的玻璃基底上固化形成一端固定的條形或晶格結(jié)構(gòu)。接著將其置于與硅膠極性相似的有機溶劑中（如甲苯、正己烷等），由于溶劑分子被彈性體吸收并擴(kuò)散至高分子網(wǎng)絡(luò)中，引發(fā)磁性彈性體的溶脹行為。但是，由于一端受到基板約束，磁性彈性體溶脹形成的軸向壓縮力只能使其非均質(zhì)變形，最終產(chǎn)生屈曲結(jié)構(gòu)。屈曲結(jié)構(gòu)的具體三維形貌可通過彈性體的三維尺寸、人造缺陷乃至晶格連接方式進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。此后，將屈曲變形的磁性彈性體置于強脈沖磁場下（約2.5T）磁化，再浸泡于不相溶的溶劑中（如乙醇）收縮至原始的條形或晶格結(jié)構(gòu)，能夠得到一定程度上“記憶”屈曲變形形貌的三維磁疇分布。此時，施加不同強度、方向或梯度的外加驅(qū)動磁場，磁性彈性體基于內(nèi)部磁疇與外加磁場的磁偶極相互作用，便可產(chǎn)生如波浪、褶皺等的多模態(tài)動態(tài)三維變形。

這種基于不穩(wěn)定性屈曲變形設(shè)計并排布軟材料內(nèi)部磁疇取向（即“磁編程”）的方法，無需額外的模板設(shè)計與輔助，便可快速實現(xiàn)各向異性的非均勻磁化分布的。結(jié)合外加可調(diào)制磁場的精準(zhǔn)驅(qū)動，能夠產(chǎn)生自由度遠(yuǎn)超準(zhǔn)靜態(tài)形貌調(diào)制的多模態(tài)動態(tài)形貌變換。此外，如圖2所示，為了闡明磁性彈性體的調(diào)控機制，該研究團(tuán)隊開發(fā)了一套分析模型與有限元計算方法，在條形和晶格結(jié)構(gòu)屈曲變形、充磁乃至磁控變形的過程中，可有效反映并預(yù)測各參數(shù)對動態(tài)形貌的影響行為，可為今后磁性軟體材料的設(shè)計和開發(fā)提供一定參考。

最后，通過利用各式屈曲變形產(chǎn)生的不同微流體行為（如定向流體、混合流體、渦流），該研究結(jié)合高精度3D打印技術(shù)（nanoArch S130，摩方精密）制備的微型模板、微流控芯片和尺寸定制的微顆粒，成功將磁性彈性體用于液滴的可控融合與精準(zhǔn)操控（圖3），顆粒的尺寸篩選，微液滴的富集檢測，微流控的混合增強，以及軟體機器人的可控驅(qū)動（圖4）。總之，香港中文大學(xué)張立教授團(tuán)隊與哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）金東東副教授提出了一種利用屈曲不穩(wěn)定現(xiàn)象編碼的新型磁編程方式，用以實現(xiàn)軟材料結(jié)構(gòu)形貌的動態(tài)調(diào)控，為今后磁性軟材料跨尺度的多模態(tài)變形行為提供了一種研究手段，有助于今后更好地理解自然界中復(fù)雜形貌變換的潛在機制，拓展可變形結(jié)構(gòu)在格式工程領(lǐng)域的應(yīng)用價值。