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结构化超材料(由定制几何形状产生的不同寻常的人造结构)能按照设想的方式引导形变和能量流动。超材料的一个子集,“声子带隙”超材料,通过操纵机械波与材料周期性结构的相互作用,可以反射、散射或吸收能量。特定频率范围内的波无法穿过这种材料,从而产生声子带隙。这种效应可用于声学成像、声学隐形、抗冲击和能量收集等技术。结构化超材料是人工制造的,自然界是否存在类似现象? 2025年2月7日发表在《Science》的一项研究称,螳螂虾指节棒具有声子带隙,可过滤特定频率的应力波。这表明天然材料同样可以呈现出在人工超材料中观察到的声子行为,从而为设计仿生和生物混合声子带隙材料开辟了更大的可能性。

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(图片来源:《Science》)

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从自然界获得消解应力的灵感
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作者信息
D. Zavattieri Pablo
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出版时间: 2025-03-28
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结构化超材料(由定制几何形状产生的不同寻常的人造结构)能按照设想的方式引导形变和能量流动。超材料的一个子集,“声子带隙”超材料,通过操纵机械波与材料周期性结构的相互作用,可以反射、散射或吸收能量。特定频率范围内的波无法穿过这种材料,从而产生声子带隙。这种效应可用于声学成像、声学隐形、抗冲击和能量收集等技术。结构化超材料是人工制造的,自然界是否存在类似现象? 2025年2月7日发表在《Science》的一项研究称,螳螂虾指节棒具有声子带隙,可过滤特定频率的应力波。这表明天然材料同样可以呈现出在人工超材料中观察到的声子行为,从而为设计仿生和生物混合声子带隙材料开辟了更大的可能性。

. 从自然界获得消解应力的灵感. 科技导报, 2025 , 43 (6) : 11 -12 .
D. Zavattieri Pablo. Science & Technology Review, 2025 , 43 (6) : 11 -12 .
结构化超材料(由定制几何形状产生的不同寻常的人造结构)能按照设想的方式引导形变和能量流动。超材料的一个子集,“声子带隙”超材料,通过操纵机械波与材料周期性结构的相互作用,可以反射、散射或吸收能量。特定频率范围内的波无法穿过这种材料,从而产生声子带隙。这种效应可用于声学成像、声学隐形、抗冲击和能量收集等技术。结构化超材料是人工制造的,自然界是否存在类似现象?2025年2月7日发表在《Science》的一项研究称,螳螂虾指节棒具有声子带隙,可过滤特定频率的应力波。这表明天然材料同样可以呈现出在人工超材料中观察到的声子行为,从而为设计仿生和生物混合声子带隙材料开辟了更大的可能性。
自然界生物一直使用巧妙的机械波操纵策略以求生存。例如,飞蛾翅膀上覆有改良的微小绒毛(鳞片),能以相同的频率共振。这些天然的声音共振器提供了良好伪装,有助于飞蛾躲避通过回声定位的食肉蝙蝠。蚊子的触角具有轻巧的、锥形几何结构的振动毛状结构,能够探测到特定声音信号,用于交配和觅食。除了声波控制,自然界生物还可通过应力波控制机制解决结构上的挑战。螳螂虾以拥有可经受巨大冲击的指节棒闻名。这种海洋甲壳动物使用这一附肢进行高速撞击,以敲开对手的坚硬外壳,同时不会造成自身伤害。指节棒这种非同寻常的韧性,来自由多层螺旋纤维和矿化甲壳质组成的多级布利冈(Bouligand)结构。此类周期性结构可以分散应力波,并阻止裂纹传播与聚集。这种层结构能够促进局部硬化、损伤分散和能量耗散,为原本易碎的指节棒带来类似塑性的变形能力。
声子行为与表面张力波的相长和相消干涉交互作用类似。水面波纹或小提琴弦振动声波均属表面张力波。之前的理论认为,螳螂虾使用声子机制过滤应力波以抵抗冲击,但在过去10年未能在实验中验证这一假设。Alderete等通过严格实验证明了螳螂虾指节棒的声子屏蔽行为,并指出,增强的抗冲击性是过滤应力波的结果,这种特性以前只存在于合成声子晶体中。布利冈结构的周期性螺旋结构能够选择性衰减高强度撞击产生的一系列应力波频率(见图)。这种过滤效应减少了局部应力集中,使施加的机械能分布更均匀。因此,指节棒外层可充当内层的抗损伤保护罩。
Alderete等进行了时间分辨激光超声实验,并在指节棒中观测到关键的声子行为,如布洛赫谐波、色散表面模式、平坦色散带和布拉格带隙,这些行为通常存在于合成声子晶体中。指节棒在兆赫范围内表现出布拉格带隙,在该范围内,某些特定频率的波由于周期性结构的多次反射而发生相消干涉,从而衰减。研究人员还观察到平坦色散带(频率恒定,与动量无关),这表明应力波已在材料中被局域化和捕获。这些观察表明,螳螂虾通过复杂的声子机制保护自己免受高频冲击。在天然存在的分层结构中,实验证明的能量耗散和局域化,可为声子带隙材料的设计带来新视角。
除Alderete等的研究外,在将天然材料用于工业应用方面仍然存在挑战。将螳螂虾的布利冈结构转化为功能性声子带隙材料时,选择的材料组合必须具有力学各向异性和强度,类似于虾。此外,波的色散特性(即波的传播速度和频率之间的关系)由组成部分的结构和属性决定。在设计具有应力波过滤结构的复合材料时,必须考虑这些因素。
鉴于结构层次和波动特性之间的相互作用,需要考虑声子带隙是否存在于不同物种的类似结构中。例如,甲虫翅膀中的螺旋结构具有良好的强度和抗断裂性。研究其他天然声子结构并了解其局限性,有助于人类解锁新的设计,超越现有抗冲击材料和能量耗散系统。
(译自《Science》,原文参考文献略2025,387(6734))

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2025年第43卷第6期
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  • 首发时间:2025-04-19
  • 出版时间:2025-03-28
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2种不同金属材料的力学参数

Family
属数
Number of
genus
种数
Number of
species
占总种数比例
Percentage of
total species (%)

Genus
种数
Number of
species
占总种数比例
Percentage of total
species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae 2 11 5.26 鹅膏菌属 Amanita 10 4.78
小菇科 Mycenaceae 2 12 5.74 丝盖伞属 Inocybe 5 2.39
多孔菌科 Polyporaceae 8 14 6.70 蜡蘑属 Laccaria 5 2.39
红菇科 Russulaceae 3 23 11.00 小皮伞属 Marasmius 6 2.87
小菇属 Mycena 11 5.26
光柄菇属 Pluteus 5 2.39
红菇属 Russula 17 8.13
栓菌属 Trametes 5 2.39
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