航院陳常青課題組發(fā)文揭示可控局域化變形靜態(tài)孤立子

清華新聞網(wǎng)12月9日電 12月6日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院陳常青教授課題組在《自然·通訊》（Nature Communications）在線(xiàn)發(fā)表題目為“力學(xué)超材料中可編程靜態(tài)拓?fù)涔铝⒆?rdquo;（Programmable and robust static topological solitons in mechanical metamaterials）的研究論文，利用力學(xué)超材料實(shí)現(xiàn)編程有序局域化變形的靜態(tài)周期孤立子。

孤立子作為一種具有特殊穩(wěn)定性的時(shí)/空局域態(tài)，具有可靠傳遞信息和能量的潛力，普遍存在于非線(xiàn)性科學(xué)領(lǐng)域。局域化變形是材料和結(jié)構(gòu)破壞的最主要形式之一，又因缺陷敏感，使得其位置和尺度隨機(jī)而難以預(yù)測(cè)和調(diào)控。開(kāi)發(fā)可編程的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)控制孤立子，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)局域變形可控，克服缺陷敏感的缺點(diǎn)，不僅有助于材料和結(jié)構(gòu)應(yīng)用，也有助于光子/聲子整流，以及軟體機(jī)器人和功能器件的設(shè)計(jì)。

該工作構(gòu)建了一類(lèi)多穩(wěn)態(tài)力學(xué)超材料，在準(zhǔn)靜態(tài)均勻壓縮載荷作用下，實(shí)現(xiàn)了有序局域變形，其本質(zhì)是具有缺陷不敏感的靜態(tài)拓?fù)涔铝⒆?。這一發(fā)現(xiàn)突破了固體中局域變形的位置、尺度通常隨機(jī)而難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的傳統(tǒng)認(rèn)知。 

圖1.準(zhǔn)靜態(tài)均勻壓縮載荷作用下力學(xué)超材料激發(fā)出的有序局域變形靜態(tài)孤立子的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果。

圖2.力學(xué)超材料的一維雙穩(wěn)態(tài)模型和周期孤立子解，結(jié)果證實(shí)實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到的有序局域變形具有明顯的靜態(tài)孤立子特性。

該研究進(jìn)一步指出，有序局域變形的實(shí)現(xiàn)，并不依賴(lài)于特定的幾何構(gòu)型，其根源是外界載荷作用下元胞原位勢(shì)與元胞間強(qiáng)耦合能的相互作用及其演化。這為采用力學(xué)超材料激發(fā)靜態(tài)孤立子，實(shí)現(xiàn)缺陷不敏感、有序可控局域變形提供了一個(gè)機(jī)理性框架。

圖3.可控有序局域變形的靜態(tài)周期孤立子機(jī)理示意圖：（a）元胞等效原位勢(shì)能隨壓縮應(yīng)變演化示意圖；（b）多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相變機(jī)制與靜態(tài)周期孤立子框架示意圖；（c-d） 基于靜態(tài)孤立子框架編程有序局域變形。

清華大學(xué)航院陳常青教授為本文的通訊作者，微納米力學(xué)中心博士生張亞飛為本文的第一作者。合作者還包括航院李博副教授，鄭泉水教授以及華盛頓大學(xué)Guy M. Genin教授。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。

論文連接：

https://doi.org/10.1038/s41467-019-13546-y

供稿：航   院

編輯：李華山

審核：呂   婷