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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）
编辑丨风云
在许多物理系统中，互易定律确保信号在系统中的传播总是以对称的方式发生。打破这种对称性会导致非互易性，机械非互易性，或空间中两点之间机械量的不对称传输，对于开发能够引导、阻尼和控制机械能的系统至关重要。要想实现对机械量表现出非互易性系统需要打破时间反转对称(动态系统)或材料变形对称(静态系统)。一个简单的例子是通过将硅橡胶制造成鱼骨结构的超材料来实现位移场的非互反传输。
然而，机械非互易性的实现仍存在以下问题：
1、机械非互易性的实现限制了非互易系统的实际应用
迄今为止，机械非互易性主要是通过主动机器人或超材料框架的复杂设计来实现的。即使是最先进的系统仍然依赖互反材料的成型和连接，这限制了这种系统的设计自由和实际应用。
2、机械非互易性的实现十分重要
非互易性在光学、声学、量子系统和力学等系统中被广泛研究，非互易系统具有引导、抑制和控制机械信号和能量的潜力，具有十分重要的研究意义。
有鉴于此，日本理研研究所Yasuhiro Ishida等人报道了一种均匀的复合水凝胶，由于嵌入纳米填料的方向依赖屈曲，显示出实质性的力学不互易性。该材料在单向剪切时的弹性模量比反方向剪切时高60倍以上。因此，它可以将对称振动转换为不对称振动，适用于质量传输和能量收集。此外，它在局部相互作用时表现出不对称的变形，这种变形可以引起各种物体的定向运动，包括宏观物体，甚至是小型生物。这种材料可以促进非互易系统的发展，如能量转换和生物操纵等实际应用。
技术方案：
1、制备了对剪切力具有不对称响应的非互反凝胶
作者开发了一种复合水凝胶，表现出较大和较小剪切变形的方向分别被称为较软和较硬的方向
2、分析了氧化石墨烯方向依赖屈曲引起的不对称剪切响应
作者定量分析了剪切的不对称响应，且通过多种表征证明了这种不对称响应源于纳米填料的方向依赖屈曲。
3、展示了非互易系统引导质量传递和定向旋转的机械能
作者通过NR凝胶的振动剪切变形实现了非互易机械系统定向引导机械能展示了水滴传输实验和机械能转换装置。
4、实现了NR凝胶操纵物体和生物的方向移动
作者基于NR凝胶的局部变形时的行为， 发现NR凝胶可以诱导与之相互作用的物体定向运动的潜力，证实了即使是微米大小的物体也会引起NR凝胶的不对称变形。
技术优势：
1、实现了实质性的力学不互异性
作者通过在结构中引入对称性破缺，制备的复合水凝胶利用嵌入纳米填料的方向依赖屈曲，导致整个系统对剪切力的不对称响应，显示出实质性的力学不互易性。
2、实现了将对称振动转化为不对称振动
作者报道的水凝胶在单向剪切时的弹性模量比反方向剪切时高60倍以上。因此，可以将对称振动转换为适用于质量传输和能量收集的不对称振动。
3、展示了NR凝胶的非互易系统应用
作者解析了NR凝胶的整体不对称变形和局部变形，展示了与之相关的水滴传输、机械能转换装置以及NR凝胶操作微小型生物等。
对剪切力具有不对称响应的非互反凝胶
作者开发了一种由聚丙烯酰胺网络作为基质和氧化石墨烯(GO)纳米片作为纳米填料组成的复合水凝胶，其中纳米片以倾斜的方式单向定向。之所以选择氧化石墨烯纳米片，是因为由于其单原子厚度，它们在受到平面内压缩时很容易弯曲。水凝胶向左剪切时的位移几乎是向右剪切时的10倍。力-位移关系也描述了水凝胶的高度不对称响应，这是力学非互易性的有力证据。即使在单点施加剪切力时，水凝胶也表现出类似的不对称行为。这种水凝胶被称为非互反(NR)凝胶，表现出较大和较小剪切变形的方向分别被称为较软和较硬的方向
图 对剪切力具有不对称响应的非互反凝胶的设计和性质
氧化石墨烯方向依赖屈曲引起的不对称剪切响应
为了更定量地分析剪切的不对称响应，在±20%的应变范围内测量了NR凝胶的应力-应变关系。结果表明左剪应变为−20%时的弹性模量(EL)与右剪应变为+20%时的弹性模量(ER)差异极大。通过研究NR凝胶沿y轴的透光率来监测氧化石墨烯纳米片在剪切变形过程中的排列变化，以分析不对称响应的来源。通过透光率、SAXS、应力-应变曲线、SEM等多种表征结果表明，这种不对称响应源于纳米填料的方向依赖屈曲。
图 氧化石墨烯纳米片在NR凝胶中的方向依赖屈曲导致剪切力不对称响应
引导质量传递和定向旋转的机械能
非互易机械系统有望以定向的方式引导机械能。在本工作中这种转换是通过NR凝胶的振动剪切变形实现的，这种变形在频率、振幅和峰值形状方面都是高度不对称的。利用不对称振动，实现了物质的有效矢量传输，基于此，作者展示了水滴传输实验。作为一种均匀的材料，凝胶的一个优点是其良好的可设计性——它可以被制造成任何形状或大小的碎片，并且这些碎片可以根据需要组装。利用这一点，通过组装六个扇形NR凝胶片开发了一种设备，可以将振动噪声转换为设备车轮的旋转运动。旋转装置相当稳定，能耐受外界机械干扰，方向可控。
图 NR凝胶将对称振动转化为非对称振动及在定向质量传递和旋转中应用
操纵物体和生物的方向移动
除了整个凝胶的整体变形外，NR凝胶的另一个显著特征是其局部变形时的行为。例如，当平行于y轴铺设的直径为2mm的金属圆筒被垂直推到NR凝胶表面时，它显示出高度不对称的变形。这种变形可以归因于屈曲只发生在左侧。NR凝胶的不对称变形与基于有限元分析的理论预测一致。这一理论研究还表明弹性应变的高度不对称分布:较软的一侧比较硬的一侧显示出更高的应变。由于这种不对称变形， NR凝胶获得了诱导与之相互作用的物体定向运动的潜力。作者证实了即使是微米大小的物体也会引起NR凝胶的不对称变形。
图 NR凝胶局部压缩不对称变形及其在各种物体定向运动中的应用
总之，作者已经开发了一种均匀的材料，它显示出机械非互易性，并对各种类型的力表现出不对称变形。这种材料可以诱导大范围物体的定向传输，从宏观物体到小型生物，在力学、能源和生物学等各个领域都有潜在的应用。这种材料还可以拓宽当前超材料系统的范围，并激发更多现有互反材料无法实现的有趣设计。原则上，非互易材料的设计也适用于除水凝胶以外的各种弹性体。该材料可能会为非互易机械系统的实际应用铺平道路，并激发非互易材料在其他物理系统中的发展，如光学和声学。
参考文献：
XIANG WANG, et al. Mechanical nonreciprocity in a uniform composite material. Science, 2023,380(6641): 192-198
DOI: 10.1126/science.adf1206
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1206
