供稿人：王凱翔、吳玲玲 供稿單位：西安交通大學(xué)全國(guó)精密微納制造技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-07-07
通過(guò)周期性結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，最近已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了天然材料無(wú)法達(dá)到的性能，例如超輕、超強(qiáng)、難壓縮、易變形以及同時(shí)表現(xiàn)出負(fù)剛度、泊松比和負(fù)的質(zhì)量密度等，這為聲波操縱和隔離提供了獨(dú)特的潛力，包括波的不可逆和無(wú)散射傳播、聲學(xué)隱身和聲學(xué)帶隙等潛在應(yīng)用。
到目前為止，周期結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的建立主要依賴于Bragg散射機(jī)制、局域共振機(jī)制以及慣性放大機(jī)制，基于上述機(jī)制制備的周期性聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)存在低頻寬帶隙與承載能力之間的矛盾。然而，Bergamini等人近期的研究提出使用手性連接將有限尺寸質(zhì)量元素（原子）的縱向運(yùn)動(dòng)與其旋轉(zhuǎn)耦合起來(lái)。研究表明，除了利用慣性效應(yīng)之外，相鄰手性中心的相對(duì)方向（在聚合物科學(xué)中稱(chēng)為立構(gòu)規(guī)整度）強(qiáng)烈影響鏈中原子自旋之間的耦合性質(zhì)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同手性的聲子晶體，可分別實(shí)現(xiàn)聲波的帶隙與透射行為，且設(shè)計(jì)的手性結(jié)構(gòu)具有相同的密度和準(zhǔn)靜態(tài)剛度。這將對(duì)手性聲子晶體的理解和設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，使其有望成為用于低頻振動(dòng)隔離應(yīng)用的新型材料。
Bergamini通過(guò)增材制造工藝制備兩個(gè)樣品，每個(gè)樣品包含兩個(gè)分別以等規(guī)和間同構(gòu)型排列的晶胞，這兩種結(jié)構(gòu)在 z 方向上基本上表現(xiàn)出相同的靜態(tài)剛度，并且具有相同的均勻密度。圖1顯示了兩個(gè)樣品及其掃描激光多普勒振動(dòng)測(cè)量 (SLDV)得到的透射率。
圖1 等規(guī)立構(gòu)與間規(guī)立構(gòu)晶體及其透射光譜
組裝對(duì)化學(xué)性質(zhì)相同的聚合物的物理性能的關(guān)鍵影響已被證明。在這種情況下，在立體化學(xué)中將立構(gòu)規(guī)整度的概念引入，作為手性元素。受這個(gè)概念的啟發(fā)，Bergamini通過(guò)對(duì)比等規(guī)晶體和間規(guī)晶體的色散特性，展示了立構(gòu)規(guī)整度對(duì)手性結(jié)構(gòu)周期介質(zhì)動(dòng)態(tài)行為的影響，這些特性源于兩種排列的不同性質(zhì)。
圖2 立構(gòu)規(guī)整度對(duì)結(jié)構(gòu)能帶圖的影響：（a）等規(guī)晶體結(jié)構(gòu)（b）間規(guī)晶體結(jié)構(gòu)（c）等規(guī)晶體帶隙（d）間規(guī)晶體帶隙
通過(guò)帶隙測(cè)量，研究者指明聲波在等規(guī)立構(gòu)系統(tǒng)中的傳播具有典型的質(zhì)量-彈簧鏈行為，其中原子沿著聲學(xué)分支同相移動(dòng)；而在間規(guī)立構(gòu)系統(tǒng)中，頂部和底部圓盤(pán)總是反相，而中心圓盤(pán)仍然靜止，這是連接中心盤(pán)的韌帶反向扭轉(zhuǎn)的直接結(jié)果，意味著相鄰盤(pán)的相對(duì)位移和與之相關(guān)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力相反。這允許在間規(guī)排列中打開(kāi) 374 Hz 和 1816 Hz 之間的大帶隙，這意味著在該頻率范圍內(nèi)不存在任何傳播模式，換句話說(shuō)，在等規(guī)排列系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)是沿Z軸累積的，而原子的間規(guī)排列導(dǎo)致圓盤(pán)移動(dòng)模式為交替靜止，打破了柯西連續(xù)介質(zhì)要求，由此產(chǎn)生的完全不同的動(dòng)態(tài)性能，包括低頻全帶隙的形成。文章提出的間規(guī)排列結(jié)構(gòu)的及其原理在土木，航空航天和機(jī)械工程等減振隔振領(lǐng)域具有重要意義。
圖3 晶胞數(shù)量對(duì)等規(guī)和間規(guī)晶體扭曲的影響：(a) 全同立構(gòu)晶體和 (b) 間同立構(gòu)晶體（4 個(gè)晶胞）變形的 xy 分量的表面圖。（c）扭轉(zhuǎn)幅度是等規(guī)（紅線）和間規(guī)（藍(lán)線）晶體盤(pán)數(shù)的函數(shù)。