近日，杨楠教授团队在《Additive Manufacturing》（中科院一区，IF=11）上发表研究文章“Self-rotation-symmetry transformation for tuning anisotropy of single type lattice structures with minimal surfaces”，探索晶向对称变换调控物质力学各向同（异）性的新机理。

我们很难控制自然物质内部的晶格走向，但是感谢增材制造技术，我们能自由设计材料内部的晶格方向。本工作开展之前，我们提出这样一个问题：在力学上，各向异性的晶格，能否组合成一个各向同性的物质？怎样做到？

基于多类型三周期极小表面（TPMS）的杂化结构的力学性能研究已经有很多工作。然而，单一类型的最小表面结构的所有力学性质还没有被研究透彻。本文提出了一种自旋转对称变换(SRST)方法，通过数值模拟和实验证明了，该方法可将单一类型TPMS结构进行各向同性/异性的调整。在SRST中，具有相同类型的多个子结构以角度θ旋转，然后对称地组合成一个新的单元。随着θ的变化，二维SRST P型晶格的各向最大模量与最小模量之比(Max/Min)为1.02-2.03，三维SRST P型晶格的各向最大模量与最小模量之比为1.07-2.15。这说明即便子结构是各向异性的（如P型晶格），那么其对称旋转组合体也可能是各向同性的（Max/Min接近1）。此外，SRST方法可以在给定方向上有效地调节弹性模量。例如，二维P晶格的弹性模量能从200 MPa左右调整到300 MPa。有趣的是，弹性模量和各向异性的变化与体积分数无关，因为每个子结构的体积在旋转时不会改变。该方法为设计具有目标体积分数的目标机械性能提供了可行性，可应用于能源、航空航天、光学和医疗等领域。

该工作受到国家自然科学基金、 广东省自然科学基金、汕头大学科研启动基金 、广东省高校重点专项基金 、 广东省高校创新团队项目和2020李嘉诚跨学科研究基金的资助。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423004785

文：杨楠