哈佛科研情侶提出“化學(xué)魔法”

中國哈佛留學(xué)生情侶李姝聰和鄧博磊， 以共同一作身份，在Nature正刊發(fā)表人生首篇“合體”論文。

李姝聰今年26歲，鄧博磊27歲，分別來自河南鄭州和貴州遵義。留學(xué)美國之前， 前者在清華讀書， 后者在浙大學(xué)習(xí)， 一南一北的他們，當(dāng)時(shí)并不認(rèn)識(shí)。

談及最初相識(shí)，李姝聰說：“來哈佛后，有一學(xué)期上課我和博磊有幾次是同桌，他當(dāng)時(shí)高高壯壯的有一米九多，皮膚黑黑的，從不講話，生活上也從沒有進(jìn)一步走近。后來我的一個(gè)課題涉及很多的力學(xué)知識(shí)，就和力學(xué)專業(yè)的博磊開始討論合作課題，才有了兩人之間第一次的對(duì)話?！?p>

如今在哈佛校園里，他們一起做實(shí)驗(yàn)，一起寫論文，一起開會(huì)，還一起穿著校服健身。

他們倆馬上就要博士畢業(yè)，后面計(jì)劃在波士頓或加州的高校做博后研究。博后研究結(jié)束后，他們都打算去高校做教職，且傾向回國發(fā)展。

可以預(yù)見的是，本次發(fā)在Nature正刊的“雙一作”論文，必將成為他們未來的代表作之一。據(jù)悉，本次研究的論文題目為《液體誘導(dǎo)的蜂窩狀微結(jié)構(gòu)拓?fù)滢D(zhuǎn)變》。

只需一滴液體，10秒推鐘薦即可改變材料結(jié)構(gòu)

研究中，他們只用一滴液體就能把材料微結(jié)構(gòu)、從三角形網(wǎng)格變成六邊形網(wǎng)格，這一過程僅需10秒鐘。再用另一滴液體，就能將結(jié)構(gòu)從六邊形網(wǎng)格轉(zhuǎn)換回三角形網(wǎng)格。

讓材料微結(jié)構(gòu)從三角形、變成六邊形的液體是丙酮，而讓六邊形再可逆轉(zhuǎn)換成為三角形的液體，是乙醇和二氯甲烷的混合物。這三種溶劑都是工業(yè)界常用的有機(jī)溶劑。

之所以能發(fā)生這種轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，是因?yàn)檫x用的有機(jī)溶劑，可對(duì)高分子材料起到一種暫時(shí)軟化作用，且能在蒸發(fā)時(shí)提供毛細(xì)力誘導(dǎo)組裝。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程， 李姝聰表示， 首先需要鑄造一個(gè)微結(jié)構(gòu)， 過程中需要微加工和光刻。得到微結(jié)構(gòu)后， 使用PDMS（P o l y d i m e t h y l s i l o x a n e，聚二甲基硅氧烷）進(jìn)行倒模脫模，得到一個(gè)軟的負(fù)微結(jié)構(gòu)。

然后把所使用的高分子灌注進(jìn)去，進(jìn)行再次翻模就能得到具有精細(xì)微米結(jié)構(gòu)的高分子膜。

這時(shí)，就能進(jìn)行微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化：使用小塑料管吸取一滴液滴，再把它擠到高分子膜上，隨后液滴散開，讓其完全蒸發(fā)。

過程非常簡(jiǎn)單，因此很利于投入潛在的工業(yè)應(yīng)用，即便未經(jīng)過任何科研訓(xùn)練的普通人，也只需幾分鐘就能完成實(shí)驗(yàn)。

其實(shí)驗(yàn)原理可從日常洗頭發(fā)說起，頭發(fā)濕水后往往會(huì)粘成一股，原因是發(fā)絲之間的毛細(xì)力作用，可導(dǎo)致頭發(fā)粘連。

而對(duì)蜂窩狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，正源于和洗頭類似的機(jī)理，向高分子膜加入的液體蒸發(fā)時(shí)，會(huì)在結(jié)構(gòu)表面形成氣液彎界面，從而產(chǎn)生毛細(xì)力。

通常來講，毛細(xì)力非常弱小，并不足以讓固體結(jié)構(gòu)發(fā)生大的變形。但如果結(jié)構(gòu)非常柔性，就有可能被毛細(xì)力變形甚至組裝，比如洗頭后扁塌塌的頭發(fā)。

利用該原理，早期科研工作者可通過液體蒸發(fā)形成的毛細(xì)力，把基底上若干互相分離的微納米細(xì)柱、或薄板組裝到一起。這時(shí)，毛細(xì)力無孔不入的特性，恰好能提供蜂窩結(jié)構(gòu)拓?fù)渥冃嗡璧木植苛?chǎng)。

打比方來說，液體蒸發(fā)時(shí)在節(jié)點(diǎn)附近殘留液體、形成的氣液界面，就好像一個(gè)個(gè)微型機(jī)器人精準(zhǔn)地作用在每個(gè)壁面上。然而，與柔軟分立的細(xì)柱/薄板不同，蜂窩結(jié)構(gòu)作為一個(gè)互聯(lián)的整體結(jié)構(gòu)，它的變形和組裝需要克服大得多的阻力。

為解決上述問題，鄧博磊和李姝聰提出一種二重尺度共同作用的“軟化-組裝-硬化”方法，該方法可讓加入的液體，在結(jié)構(gòu)尺度（微米）上形成大量氣液界面，從而給結(jié)構(gòu)施加局部毛細(xì)力。另一方面，通過在分子尺度上溶脹材料，可以實(shí)現(xiàn)高分子材料的暫時(shí)性軟化。

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中的液體先于高分子材料里的液體蒸發(fā)，所以毛細(xì)力總是作用在被軟化的結(jié)構(gòu)上，這會(huì)大大降低變形過程中的阻力，從而實(shí)現(xiàn)即便只有弱小的毛細(xì)力，也能組裝蜂窩結(jié)構(gòu)，并最終改變它的拓?fù)涮匦浴?/p>

最后，當(dāng)所有液體從環(huán)境和高分子材料內(nèi)部蒸發(fā)掉后，材料又會(huì)重新硬化、并恢復(fù)最初的楊氏模量，其力學(xué)強(qiáng)度也可得到保證。

無懼高溫和多日浸泡

為測(cè)試該方法的可行性，他們采用微結(jié)構(gòu)翻模的方法，制造出一塊三角形網(wǎng)格的蜂窩微結(jié)構(gòu)， 其邊長(zhǎng)是100微米、厚度7微米、深度為70微米。

測(cè)試中，他們先給結(jié)構(gòu)加入一滴溶液，結(jié)構(gòu)被浸沒后，溶液會(huì)滲入高分子材料并實(shí)現(xiàn)軟化。

隨著液體的蒸發(fā)，節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生的毛細(xì)力， 可將軟化的壁面兩兩組裝到一起，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的聯(lián)結(jié)度，可從六條邊變成三條邊，最初的三角形網(wǎng)格也被重組成了六邊形網(wǎng)格。

當(dāng)液體完全蒸發(fā)后，被轉(zhuǎn)化為六邊形網(wǎng)格的蜂窩結(jié)構(gòu)，可以重新硬化回最初的硬度，整個(gè)過程僅耗時(shí)10秒左右。

相比最初的微結(jié)構(gòu)，組裝后的結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)數(shù)量、聯(lián)結(jié)度、孔洞數(shù)量和大小、以及壁面的厚度等結(jié)構(gòu)屬性方面都發(fā)生了改變。

另外，無論是處于高溫狀態(tài)、亦或是被一些溶液多日浸泡，組裝后的結(jié)構(gòu)都能保持六邊形構(gòu)型。

但有些功能的實(shí)現(xiàn)，也會(huì)帶來“買一贈(zèng)一” 的副作用，結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)定性固然是好，卻也給解組裝帶來了挑戰(zhàn)：那些可以高度溶脹材料的溶液，能通過引入劇烈形變， 去撕開組裝在一起的壁面，從而讓結(jié)構(gòu)回到最初構(gòu)型，但因?yàn)槊?xì)力總是作用在被軟化的結(jié)構(gòu)上，一旦溶液蒸發(fā)， 結(jié)構(gòu)又會(huì)被重新組裝起來。

為實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的可逆拓?fù)渥儞Q，他們使用雙組分溶液，來延緩毛細(xì)力的出現(xiàn)，這時(shí)再將其作用于已經(jīng)硬化的材料上，就可實(shí)現(xiàn)解組裝。

此外，他們發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整兩種溶液的比例，可以精細(xì)地控制毛細(xì)力、和軟硬化之間的動(dòng)力學(xué)作用，從而得到一系列其它豐富的微構(gòu)型。

另據(jù)悉，本次方法不僅可用于特殊材料化學(xué)組分，也可用于多種高分子材料，并能和本身具有環(huán)境響應(yīng)性的材料結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)多重形變。

除了三角形網(wǎng)格，他們通過理論模型的預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)，還實(shí)現(xiàn)了幾種更復(fù)雜網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。

可用于飛機(jī)涂層和機(jī)器人制備等

對(duì)于應(yīng)用，李姝聰說他們非常希望工業(yè)界一線科研人員，可根據(jù)自身需求來從本次研究中成果中，找到相關(guān)解決方案。

鄧博磊說，他們提出了一種設(shè)想，即改變材料的聲學(xué)效應(yīng)，比如屏蔽某一頻率段的超聲波。

以本次研究中的三角形和六邊形為例， 假設(shè)材料處于三角形時(shí)， 可以傳導(dǎo)某個(gè)頻段的超聲波， 但是當(dāng)其變成六邊形， 該頻段的超聲波就不能傳播， 借助這種特點(diǎn)就可以設(shè)計(jì)出更多應(yīng)用， 比如讓飛機(jī)材料實(shí)現(xiàn)某個(gè)頻率段的超聲波隱身。

同時(shí)相比原子， 該結(jié)構(gòu)的尺寸依然很大，所以使用該方法并不會(huì)改變微觀材料的特性，但卻能改變整個(gè)宏觀材料的屬性，也就是在微觀和宏觀之間的互不影響的、介觀尺度上“做文章”，即讓建筑構(gòu)造來決定材料的最終性質(zhì)。

如果能在介觀尺度上改變材料結(jié)構(gòu)， 就可以改變它的屬性。一般情況下， 超材料造出來后的結(jié)構(gòu)很難被改變，而如果有改變其結(jié)構(gòu)的辦法，就意味著能改變材料的屬性，如此便可擁有可調(diào)控的材料。

而之所以要改變材料表面性質(zhì)，是因?yàn)椴牧系膽?yīng)用場(chǎng)景隨時(shí)在變化，比如環(huán)境濕度就是最大的變量之一。

概括來說，本次提出的方法，在理論上能讓材料具備濕度響應(yīng)性，即在干燥和濕潤(rùn)狀態(tài)下都能被應(yīng)用并體現(xiàn)出不同的性質(zhì)。

假如要制備一個(gè)小機(jī)器人，使用本方法修飾就可能有潛力同時(shí)做水陸兩用機(jī)器人。在水下環(huán)境中， 我們需要調(diào)控它的力學(xué)彈性、水中穿過的摩擦力和黏性等，這時(shí)借助本次方法就可以輕松實(shí)現(xiàn)。

鄧博磊補(bǔ)充稱，以鋪設(shè)在房屋或車輛表面的材料為例，他們?cè)O(shè)想的是材料在結(jié)構(gòu)變換前后，其親疏水性和隔熱散熱能力也可發(fā)生改變，這對(duì)于材料在不同環(huán)境中的適應(yīng)性可能會(huì)有幫助。

這也是該研究的實(shí)用性所在，很多時(shí)候人們希望材料的性質(zhì)，在造出來之后可以像開關(guān)一樣，“摁一下”就能改變。

研究聽起來很酷， 他們的愛好也非常酷。鄧博磊非常注重生活和學(xué)業(yè)的平衡，也是一名運(yùn)動(dòng)愛好者，課余愛好健身，喜歡打籃球、騎行、劃船、攀巖和爬山等。

幾年后，當(dāng)他們都成為高校老師，“校園學(xué)霸CP”也將成為“高校教師CP”，又努力、又愛運(yùn)動(dòng)，這樣的“人類靈魂工程師”一定大受歡迎。