近日，學院力學系波動力學課題組的張凱講師及其碩士生王子巍和博士生張泉，利用材料基因和信息比特的概念，設計并制造了一種可調節的數字化超材料，實現了超材料的數字化以及對彈性波傳播的控制。該研究的相關論文《Tunable Digital Metamaterial for Broadband Vibration Isolation at Low Frequency》（DOI: 10.1002/adma.201604009）已發表于國際材料科學頂級期刊《AdvancedMaterials》。
超材料是一類具有自然材料所不具備特質的人工複合材料，可應用于高效雷達制備、隐身結構設計、無損檢測、振動隔離和抗震保護等重要工程領域。傳統超材料隻在特定的頻率範圍内有效，極大地限制了其應用範圍。為了突破傳統超材料的局限，課題組設計了一種全新模塊化的可調數字超材料，通過3D打印技術制備含局部共振單元的基體，并在單胞内布置兩個電磁鐵作為局域共振體和控制調節器。類比于計算機中的0和1比特的切換，通過外部電路獨立控制電磁鐵通斷電狀态，可控制單胞禁帶的開閉（圖1a）。同時，通過調控0狀态與1狀态的單胞個數及分布，可對禁帶的位置以及寬度進行精準調節（圖2a）。通過切換單胞0和1狀态，該數字超材料可實現任意形狀的波導，即對波的傳播路徑進行調節（圖2b），具有傳統的超材料無法實現的多自由度調節的能力。
圖1： a) 電磁鐵控制單胞内部局域共振體吸附和分離，進而控制禁帶開閉，實現0和1狀态切換； b) 結合計算機技術的0和1概念，實現數字超材料。
圖2： a) 通過調節超胞中0和1單胞的數量及分布情況，實現了禁帶寬度的精準調節；b) 通過切換單胞狀态，可實現任意形狀波導。
該數字超材料可作為超表面附着于柔性均質材料表面，實現對均質材料中波傳播的有效控制。另一方面，結合壓電俘能技術，可将波動引起的結構變形能轉換為電能，并通過該電能調控邊界單胞的開閉，實現波的轉移以及對材料内部環境的保護。這種具有自感知、自供電、自執行的智能化自主隔振數字超材料可被用于大型機械設備中，實現對精密電子部件的保護。
文章鍊接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201604009/full
