近日，国际权威期刊《Extreme Mechanics Letters》（中科院力学1区top期刊，IF：4.806），发表了汕头大学教育部智能制造重点实验室和北京理工大学宇航学院合作的研究论文 “3D kirigami metamaterials with coded thermal expansion properties”（构建具有可编码热变形行为的新型超材料并揭示其热力耦合机理）[40 (2020) 100912, DOI:10.1016/j.eml.2020.100912]。文章第一和通讯作者为汕头大学工学院机械系杨楠教授。

“热胀冷缩”是一种常识性物理现象，但并不是不可打破的。如果巧妙设计材料的组分和结构是可以达到相反行为的，即：“热缩冷涨”。不仅如此，在工程上，很多场合都需要材料根据温度的变化朝着希望的方式变形，比如：飞行器、智能建筑、太阳能系统、透镜、引擎和人造肌肉等。这种温度响应变形可以用来产生力量（如，人造肌肉）、高效使用能源（如，太阳能板）、适应热环境（如，管道连接）等等。有两种方式可以用来调节热膨胀系数：1）基于自然界中的原生物质（常常通过化学手段制备材料）；2）人造结构材料（由人的主观意志定义材料的内部结构）。事实证明，精心设计的人造结构材料能更大范围、可裁剪地调节材料自身的热膨胀系数。

受到折纸、剪纸结构的启发，课题组设计出一种兼而实现“热胀冷缩”和“热缩冷涨”的新型机械超材料，在形状记忆合金片的驱动下，该材料还可以实现两种机制之间的若干种中间热变形行为，故称该材料具有可编码化的热变形行为。把计算机中“位”的概念引入超材料中，通过对材料编码，材料可以形成多种模式，如，“0001”、“0101”、“1011”，......等等。对于每一种模式，该材料都具有一种独特的热形变行为，因此，同一块材料可以具备多种热膨胀系数（从正到负），可以适应在不同热环境下应用的需要。课题组揭示了对于一个细胞单元的热力耦合机理，基于该机理构建了2D和3D蜂窝状机械超材料。最后，指出了材料负（正）热膨胀系数和负（正）泊松比之间的理论联系。该工作有潜力为研究、设计新一代可变形电子材料、自折叠材料、人造肌肉和机器人开启新的大门。