哈佛科研情侶提出“化學魔法”

中國哈佛留學生情侶李姝聰和鄧博磊， 以共同一作身份，在Nature正刊發表人生首篇“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。留學美國之前， 前者在清華讀書， 后者在浙大學習， 一南一北的他們，當時并不認識。

談及最初相識，李姝聰說：“來哈佛后，有一學期上課我和博磊有幾次是同桌，他當時高高壯壯的有一米九多，皮膚黑黑的，從不講話，生活上也從沒有進一步走近。后來我的一個課題涉及很多的力學知識，就和力學專業的博磊開始討論合作課題，才有了兩人之間第一次的對話。”

如今在哈佛校園里，他們一起做實驗，一起寫論文，一起開會，還一起穿著校服健身。

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

可以預見的是，本次發在Nature正刊的“雙一作”論文，必將成為他們未來的代表作之一。據悉，本次研究的論文題目為《液體誘導的蜂窩狀微結構拓撲轉變》。

只需一滴液體，10秒推鐘薦即可改變材料結構

研究中，他們只用一滴液體就能把材料微結構、從三角形網格變成六邊形網格，這一過程僅需10秒鐘。再用另一滴液體，就能將結構從六邊形網格轉換回三角形網格。

讓材料微結構從三角形、變成六邊形的液體是丙酮，而讓六邊形再可逆轉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界常用的有機溶劑。

之所以能發生這種轉換現象，是因為選用的有機溶劑，可對高分子材料起到一種暫時軟化作用，且能在蒸發時提供毛細力誘導組裝。

對于實驗過程， 李姝聰表示， 首先需要鑄造一個微結構， 過程中需要微加工和光刻。得到微結構后， 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）進行倒模脫模，得到一個軟的負微結構。

然后把所使用的高分子灌注進去，進行再次翻模就能得到具有精細微米結構的高分子膜。

這時，就能進行微結構轉化：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。

過程非常簡單，因此很利于投入潛在的工業應用，即便未經過任何科研訓練的普通人，也只需幾分鐘就能完成實驗。

其實驗原理可從日常洗頭發說起，頭發濕水后往往會粘成一股，原因是發絲之間的毛細力作用，可導致頭發粘連。

而對蜂窩狀結構進行拓撲結構轉換，正源于和洗頭類似的機理，向高分子膜加入的液體蒸發時，會在結構表面形成氣液彎界面，從而產生毛細力。

通常來講，毛細力非常弱小，并不足以讓固體結構發生大的變形。但如果結構非常柔性，就有可能被毛細力變形甚至組裝，比如洗頭后扁塌塌的頭發。

利用該原理，早期科研工作者可通過液體蒸發形成的毛細力，把基底上若干互相分離的微納米細柱、或薄板組裝到一起。這時，毛細力無孔不入的特性，恰好能提供蜂窩結構拓撲變形所需的局部力場。

打比方來說，液體蒸發時在節點附近殘留液體、形成的氣液界面，就好像一個個微型機器人精準地作用在每個壁面上。然而，與柔軟分立的細柱/薄板不同，蜂窩結構作為一個互聯的整體結構，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，在結構尺度（微米）上形成大量氣液界面，從而給結構施加局部毛細力。另一方面，通過在分子尺度上溶脹材料，可以實現高分子材料的暫時性軟化。

因為實驗中的液體先于高分子材料里的液體蒸發，所以毛細力總是作用在被軟化的結構上，這會大大降低變形過程中的阻力，從而實現即便只有弱小的毛細力，也能組裝蜂窩結構，并最終改變它的拓撲特性。

最后，當所有液體從環境和高分子材料內部蒸發掉后，材料又會重新硬化、并恢復最初的楊氏模量，其力學強度也可得到保證。

無懼高溫和多日浸泡

為測試該方法的可行性，他們采用微結構翻模的方法，制造出一塊三角形網格的蜂窩微結構， 其邊長是100微米、厚度7微米、深度為70微米。

測試中，他們先給結構加入一滴溶液，結構被浸沒后，溶液會滲入高分子材料并實現軟化。

隨著液體的蒸發，節點處產生的毛細力， 可將軟化的壁面兩兩組裝到一起，每個節點的聯結度，可從六條邊變成三條邊，最初的三角形網格也被重組成了六邊形網格。

當液體完全蒸發后，被轉化為六邊形網格的蜂窩結構，可以重新硬化回最初的硬度，整個過程僅耗時10秒左右。

相比最初的微結構，組裝后的結構在節點數量、聯結度、孔洞數量和大小、以及壁面的厚度等結構屬性方面都發生了改變。

另外，無論是處于高溫狀態、亦或是被一些溶液多日浸泡，組裝后的結構都能保持六邊形構型。

但有些功能的實現，也會帶來“買一贈一” 的副作用，結構的高穩定性固然是好，卻也給解組裝帶來了挑戰：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，從而讓結構回到最初構型，但因為毛細力總是作用在被軟化的結構上，一旦溶液蒸發， 結構又會被重新組裝起來。

為實現微結構的可逆拓撲變換，他們使用雙組分溶液，來延緩毛細力的出現，這時再將其作用于已經硬化的材料上，就可實現解組裝。

此外，他們發現通過調整兩種溶液的比例，可以精細地控制毛細力、和軟硬化之間的動力學作用，從而得到一系列其它豐富的微構型。

另據悉，本次方法不僅可用于特殊材料化學組分，也可用于多種高分子材料，并能和本身具有環境響應性的材料結合，從而實現多重形變。

除了三角形網格，他們通過理論模型的預測設計，還實現了幾種更復雜網格結構的結構轉化。

可用于飛機涂層和機器人制備等

對于應用，李姝聰說他們非常希望工業界一線科研人員，可根據自身需求來從本次研究中成果中，找到相關解決方案。

鄧博磊說，他們提出了一種設想，即改變材料的聲學效應，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， 假設材料處于三角形時， 可以傳導某個頻段的超聲波， 但是當其變成六邊形， 該頻段的超聲波就不能傳播， 借助這種特點就可以設計出更多應用， 比如讓飛機材料實現某個頻率段的超聲波隱身。

同時相比原子， 該結構的尺寸依然很大，所以使用該方法并不會改變微觀材料的特性，但卻能改變整個宏觀材料的屬性，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”，即讓建筑構造來決定材料的最終性質。

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

而之所以要改變材料表面性質，是因為材料的應用場景隨時在變化，比如環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性，即在干燥和濕潤狀態下都能被應用并體現出不同的性質。

假如要制備一個小機器人，使用本方法修飾就可能有潛力同時做水陸兩用機器人。在水下環境中， 我們需要調控它的力學彈性、水中穿過的摩擦力和黏性等，這時借助本次方法就可以輕松實現。

鄧博磊補充稱，以鋪設在房屋或車輛表面的材料為例，他們設想的是材料在結構變換前后，其親疏水性和隔熱散熱能力也可發生改變，這對于材料在不同環境中的適應性可能會有幫助。

這也是該研究的實用性所在，很多時候人們希望材料的性質，在造出來之后可以像開關一樣，“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業的平衡，也是一名運動愛好者，課余愛好健身，喜歡打籃球、騎行、劃船、攀巖和爬山等。

幾年后，當他們都成為高校老師，“校園學霸CP”也將成為“高校教師CP”，又努力、又愛運動，這樣的“人類靈魂工程師”一定大受歡迎。