擁有主動變形能力的三維可變形結構在自然界中廣泛存在，可有效提高生物對復雜環境的適應性。受這一特性啟發，研究人員已開發了多種基于水凝膠、液晶高分子、硅膠彈性體等的軟材料體系，在外界不同條件的刺激下（如化學溶劑、溫度、酸堿度、光等），實現了各式三維結構的可控形貌變換（Nature 2021, 592, 386；Nature 2019, 573, 205；Nature 2017 , 546, 632)。 但是，目前已有的方案主要基于軟材料形貌的準靜態調制，如何實現多種尺度下多模態各向異性形貌與結構的動態調控，非常具有挑戰性。
近期，香港中文大學張立教授團隊與哈爾濱工業大學（深圳）金東東副教授，聯合香港城市大學張甲晨教授、中國科學技術大學王柳教授，提出了一種新型的軟材料結構動態形貌調控方法。該團隊結合硬磁性顆粒與彈性體制備得到磁性彈性體，并使其在一端受限的條件下溶脹產生可控的屈曲結構，接著加以磁化形成各向異性的三維磁疇分布。得到的磁性彈性體在外界可編程磁場的驅動下，能夠實現多模態三維形貌的動態可控變換，在微流體操縱、軟體機器人等領域中具有廣闊的應用前景。相關研究成果以 “Dynamic morphological transformations in soft architected materials via buckling instability encoded heterogeneous magnetization” 為題發表在國際著名期刊《Nature Communications》。
如圖1所示，該研究首先將未充磁的釹鐵硼微顆粒摻入硅膠彈性體前驅體中，在親水修飾的玻璃基底上固化形成一端固定的條形或晶格結構。接著將其置于與硅膠極性相似的有機溶劑中（如甲苯、正己烷等），由于溶劑分子被彈性體吸收并擴散至高分子網絡中，引發磁性彈性體的溶脹行為。但是，由于一端受到基板約束，磁性彈性體溶脹形成的軸向壓縮力只能使其非均質變形，最終產生屈曲結構。屈曲結構的具體三維形貌可通過彈性體的三維尺寸、人造缺陷乃至晶格連接方式進行精準調控。此后，將屈曲變形的磁性彈性體置于強脈沖磁場下（約2.5T）磁化，再浸泡于不相溶的溶劑中（如乙醇）收縮至原始的條形或晶格結構，能夠得到一定程度上“記憶”屈曲變形形貌的三維磁疇分布。此時，施加不同強度、方向或梯度的外加驅動磁場，磁性彈性體基于內部磁疇與外加磁場的磁偶極相互作用，便可產生如波浪、褶皺等的多模態動態三維變形。
這種基于不穩定性屈曲變形設計并排布軟材料內部磁疇取向（即“磁編程”）的方法，無需額外的模板設計與輔助，便可快速實現各向異性的非均勻磁化分布的。結合外加可調制磁場的精準驅動，能夠產生自由度遠超準靜態形貌調制的多模態動態形貌變換。此外，如圖2所示，為了闡明磁性彈性體的調控機制，該研究團隊開發了一套分析模型與有限元計算方法，在條形和晶格結構屈曲變形、充磁乃至磁控變形的過程中，可有效反映并預測各參數對動態形貌的影響行為，可為今后磁性軟體材料的設計和開發提供一定參考。
最后，通過利用各式屈曲變形產生的不同微流體行為（如定向流體、混合流體、渦流），該研究結合高精度3D打印技術（nanoArch S130，摩方精密）制備的微型模板、微流控芯片和尺寸定制的微顆粒，成功將磁性彈性體用于液滴的可控融合與精準操控（圖3），顆粒的尺寸篩選，微液滴的富集檢測，微流控的混合增強，以及軟體機器人的可控驅動（圖4）。總之，香港中文大學張立教授團隊與哈爾濱工業大學（深圳）金東東副教授提出了一種利用屈曲不穩定現象編碼的新型磁編程方式，用以實現軟材料結構形貌的動態調控，為今后磁性軟材料跨尺度的多模態變形行為提供了一種研究手段，有助于今后更好地理解自然界中復雜形貌變換的潛在機制，拓展可變形結構在格式工程領域的應用價值。
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