Adv. Mater.：折紙型可重構超材料，實現手性可控調節

【前言】

超材料，由亞波長結構單元的物理結構而不是化學成分組成，以其獨特的材料特性引起廣泛的關注。目前，超表面，即超材料的2D面，可通過調控界面處人工結構進而控制電磁波流量來設計電磁波的位相、極化和軌道。較3D超材料而言，平面的超表面展現出相對更低的損耗以及深次波長厚度，因而更適于片狀集成。然而，一旦超材料和超表面形成，結構修飾是一個很大的挑戰，會使得材料無法重構。

【成果簡介】

折紙結構是折疊二維材料一個非常具藝術性的結構，正如一張平滑的紙轉換成具復雜和修飾的3D結構。浙江大學陳紅勝教授和美國東北大學Yongmin Liu（共同通訊作者）等人正以折紙結構為靈感，報道了折紙基超材料，其電磁響應可通過轉換Miura-ori（三浦折法）式開口諧振環的折疊態進行動力學調控。Miura-ori單元沿著3D形態的變形誘發開口謝振環電和磁偶極子相互平行或反平行，導致強的手性響應。通過控制方向和動力學變形，當實現手性轉換時，實驗觀測到材料圓形二色性高達0.6。此外，折紙超材料的相對密度僅為未折疊結構的2%。該研究成果將為輕質、可重構、可展開，且具備自定義電磁和機械性能設備的設計與研究開拓新的道路。

【圖文導讀】

圖一、Miura-ori手性超材料結構圖示

開口諧振環周期性排列形成手性超表面（圖中）。一個Miura-ori單元（白線圈出）由四個位于相同四邊形的開口諧振環組成。2D超表面可連續轉換成3D手性超材料，及對映體A（左圖）和B（右圖），滿足Miura-ori模式的折疊規則。手性轉換通過改變平面超表面的變形方向實現。

圖二、Miura-ori手性超材料的尺寸和手性響應

(a) Miura-ori手性超材料單元的大小。

(b) 圓形偏振波沿Z軸傳播照射時，未折疊手性超材料的模擬透射光譜。

(c) 圓形偏振波沿Z軸傳播照射時，對映體A的模擬透射光譜。

(d) 圓形偏振波沿Z軸傳播照射時，對映體B的模擬透射光譜。

(e) 不同折疊角度，Miura-ori超材料的CD（圓形二色性）光譜。

(f) 不同折疊角度，Miura-ori超材料的特定CD曲線。

圖三、Miura-ori超材料的可重構性

(a) 2D Miura-ori模式的制備（圖中）及經過正向（圖左）和負向（圖右）折疊過程獲得的兩個對映體的照片。

(b) 測量具介質基底未折疊的Miura-ori模式的透射光譜。

(c-d) 測量折疊角度分別為+45和-45的對映體A、B的透射光譜，內嵌圖為單個Miura-ori單元。

(e) 由(c)和(d)計算得到兩個對映體CD光譜。

圖四、Miura-ori超材料表面電流分布闡述內在手性響應機制

(a-b) 諧振頻率6.9 GHz時，4個開口諧振環的方向(a)和表面電流分別(b)。4個諧振器均在面內點偶極子和面外磁偶極子不對稱的狀態工作。

(c) 對映體A一個單元的前視圖

(d-e) 第一個(d)和第二個諧振模的表面電流分布。引發的電和磁偶極子在模式1有平行的組件，但模式2則為反平行，導致在兩個諧振頻率下Miura-ori超材料相反的手性。

圖五、Miura-ori超材料的相對密度與折疊角度的關系

制備樣的相對密度在頂角=60時達到最小值，較折疊前的平面超材料要輕98%。

文獻鏈接：Origami-Based Reconfigurable Metamaterials for Tunable Chirality（Adv. Mater.，2017，DOI：10.1002/adma.201700412）

本文由材料人編輯部電子電工學術組大黑天【丁菲菲】供稿，材料牛編輯整理。

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