复合材料，最新Nature Materials！

PS微球+PDMS=软复合材料

在自然界中，互易性是一项基本原则，它确保了物理信号在受到相反方向刺激时能够对称传递。打破这种对称性，即实现非互易动力学，已在光子、声子电路、量子放大器和声学超材料等多种物理系统中被观察到，并在机械系统中催生了诸如能量收集、冲击吸收和机械计算等创新应用。然而，在连续体固体中实现固有的机械非互斥性仍是一个未被充分探索的领域。传统上，非互斥性依赖于超材料中复杂的结构非线性设计，而如何在均匀的连续介质中实现并调控这一特性，尤其是使其不依赖于系统尺寸和几何形状，一直是材料科学中的一项重要挑战。

在此，香港科技大学许钦助理教授、胡文琪助理教授以及Yiqiu Zhao博士提出了一种基于剪切堵塞转变的新型设计策略，在软复合固体中实现了机械非互斥性。通过调控填料接触网络与基质弹性之间的相互作用，研究人员在剪切和法向力学响应中实现了可调谐的方向依赖性不对称。此外，结合响应性磁性分布与剪切堵塞系统的各向异性特性，本研究进一步展示了可编程的非互斥动力学，实现了软材料中难以实现的运动传输不对称时空控制。相关研究成果以题为“Mechanical non-reciprocity programmed by shear jamming in soft composite solids”发表在最新一期《nature materials》上。

【剪切堵塞软复合材料的制备与结构设计】

研究团队通过将22 μm的聚苯乙烯微球分散于聚二甲基硅氧烷熔体中，制备出软复合材料，其中填料体积分数控制在剪切堵塞阈值（φₘ = 56%）与静态堵塞点（φ₀ = 69%）之间。通过四步工艺流程（图1b），在预固化悬浮液中引入剪切堵塞网络：首先通过振荡剪切消除残余应力，随后逐步增大剪切应力至临界值σₜ，诱发刚性转变（图1c），并在保持应变γ的同时将应力降至σₜ₀ = 5 Pa，最终固化形成复合材料。这一过程成功将各向异性的力链网络“编码”至弹性基质中。

图 1. 具有非互易力学的软复合材料

【剪切堵塞调控的非互斥力学响应】

复合材料在剪切应变下表现出显著的方向不对称性。以Gₘ = 0.25 kPa、φ = 63% 的样品为例，在γ = 0.05时剪切应力σₜ⁺ = 1,600 Pa，而在γ = −0.05时仅为σₜ⁻ = −538 Pa，不对称比达3倍（图1d）。此外，法向应力σₙ在γ > 0时急剧上升，而在γ < 0时接近零，表现出明显的非互斥Poynting效应（图1e）。应变可逆性也呈现不对称：在γ = −0.05时表面压痕可完全恢复，而在γ = 0.05时变形永久保留（图1f）。通过调控制备过程中的临界应力σ*ₜ，非互斥程度|σₜ⁺/σₜ⁻|可从1.1（σ*ₜ = 1 Pa）提升至3.3（σ*ₜ = 25 Pa）（图2a），且滞后损耗Eₚ⁺随σ*ₜ显著增加，而Eₚ⁻基本不变（图2b）。非互斥性与剪切堵塞相边界φ(γ)密切相关（图2c），当填料状态位于边界以上时，|σₜ⁺/σₜ⁻|明显大于1。

图 2. 剪切干扰转变控制的机械非互易性

【可扩展与可编程的非互斥力学行为】

由于复合材料在空间上具有均匀性，其非互斥响应与样品尺寸无关。如图3a所示，直径分别为D = 25 mm与43 mm的样品在σₜ与σₙ响应上高度一致。即便将样品切割为半盘状，其不对称力学行为仍得以保留（图3b）。此外，通过将两段复合材料沿相同或相反堵塞方向堆叠，可实现整体响应的对称或不对称调控（图3c,d），显示出优异的可编程性。

图 3. 可扩展和可编程的机械非互易性

【连续体本构模型揭示机理】

为解释非互斥响应，研究团队建立了纤维增强各向异性模型，将力链网络视为半刚性纤维，仅在受压时贡献刚度（图4a）。应变能密度函数表示为ψ = ψᵥₒₗ + ψᵢₛₒ + ψₐₙᵢₛₒ，其中各向异性项ψₐₙᵢₛₒ采用修正的Holzapfel-Gasser-Ogden形式描述（公式(4)）。该模型成功预测了不同基质模量Gₘ下σₜ与σₙ的非互斥响应（图4e,f）。当Gₘ ≤ 2 kPa时，|σₜ⁺/σₜ⁻|稳定在约3.3，而当Gₘ > 2 kPa时迅速下降至1.4（图4c插图），表明过高基质刚度会抑制力链网络的作用。能密度分析显示，在Gₘ ≤ 2 kPa时，Wₐₙᵢₛₒ/Wᵢₛₒ > 1，力链主导响应；而随着Gₘ增大，该比值急剧下降（图4h）。

图 4. 连续谱本构模型

【非互斥活性固体的动态行为】

研究进一步将设计策略拓展至活性系统，通过在PDMS中掺入1% NdFeB磁珠并施加空间调制的磁化分布，实现了非互斥动力学。在旋转磁场B = B₀(cos Ωt, sin Ωt, 0)作用下，具有剪切堵塞结构的复合材料表现出明显的不对称弯曲：向下偏转最大达44.5°，向上仅21.6°（图5c）。理论计算与实验测量高度吻合（图5d,e）。在受限通道中（间隙d < 3 mm），各向异性样品在磁场旋转下呈现方向性运动，速度比|v⁻/v⁺|最高达3.2（d = 2 mm时），而各向同性样品运动对称（图5g-i）。通过调控间隙d与剪切应力σ*ₜ，可定量调节动态非互斥程度。

图 5. 非互斥活性固体

【总结与展望】

本研究通过在前固化态编码剪切堵塞接触网络，成功实现了软连续体固体中的静态与动态非互斥性。非互斥程度可通过与剪切堵塞边界的距离φ(γ*)及基质模量Gₘ定量调控，并通过连续体本构模型统一了非线性弹性与纤维力学机制。结合空间调制磁域，该系统展现出可编程的非互斥致动能力，为软体机器人、自适应结构及能量控制提供了新材料平台。鉴于剪切堵塞现象在多种颗粒系统中的普适性，未来可通过优化粒子形状与表面粗糙度进一步提升非互斥性能，甚至通过引入导电粒子实现不对称电或热输运，开辟高效能量材料设计的新途径。