我校青年教師楊未柱以第一作者身份在PNAS上發表非均質超材料結構...

西工大新聞網7月17日電（楊未柱）隨著社會發展和科技進步，人們對於材料力學特性和功能特性的要求越來越高。近年來興起的結構化材料（Architected materials）通過採用精心定義的結構單胞實現了很多獨特的力學特性，如超高的比剛度、比強度和韌性、負泊松比以及形狀可調性等。這些優異的力學特性往往與其組成材料本身無關，而是由其內部結構決定，常被成為超材料（metamaterials）。當下，隨著低維材料的不斷興起，二維結構化材料設計在柔性電子、力控熱/電/光/聲學器件等領域得到廣泛關注。然而，目前大多數結構化材料在空間上都是由相同形狀單胞結構按照一定的周期性排列而成。通過引入單胞多樣性以及調控單胞間連接方式，可極大豐富超材料的性能以及帶來全新的設計思路。本質上，通過各種單胞結構巧妙組合、單胞連接的精確調控，以及兩種思路的智能結合將為超材料結構的設計開闢新的途徑，這些新型設計有望超越傳統的超材料，在工程應用上有巨大潛力。

針對二維周期性材料結構的設計，我校嶽珠峰教授課題組與美國維吉尼亞大學Baoxing Xu助理教授課題組展開了合作研究，提出一種由結構形狀自定義、力學性能迥異單胞組合而成的非均質結構（Heterogeneously architected structure, HAS），並考慮單胞間的可調控連接，建立了兩套力學理論以預測所提出HAS的力學行為，揭示了單胞組成、排列方式以及單胞連接對整體結構力學行為的影響。大量理論分析和有限元計算表明，相對所採用的基礎單胞，通過非均質周期性結構設計可實現彈性性能（楊氏模量和泊松比）範圍的顯著擴展，理想情況下彈性模量甚至可提高三個數量級。且針對單胞排布以及連接特徵，提出了界面特徵因子概念，進一步為具有特定力學性能和幾何特徵的HAS設計提供了新思路。該研究成果以「Theoretical search for heterogeneously architected 2D structures」長文形式於2018年7月16日在線發表在《美國科學院院刊》（PNAS）。

非均質結構的力學理論模型及驗證圖

非均質結構的優異力學特性圖

非均質結構的優異力學特性圖中黑色圓圈為研究採用的基礎單胞，可以看出通過非均質結構化設計，可實現力學性能範圍的顯著擴展，形成了新的上限，下限與上限之間的可通過調控單胞組合和排列方式全部覆蓋。

論文第一作者為我校新進90後副研究員楊未柱，我校嶽珠峰教授，高宗戰副教授以及維吉尼亞大學Qingchang Liu為合作作者。論文通訊作者為維吉尼亞大學Baoxing Xu助理教授。近年來，兩課題組以訪問交流、聯合培養研究生等形式建立了長期合作關係，取得了一系列研究成果。

第一作者簡介：楊未柱，副研究員（嶽珠峰教授課題組成員），目前主要從事超材料、軟硬一體化結構/材料設計、力學行為及應用研究，以第一作者身份在PNAS，JMPS，IJSS等期刊上發表論文7篇。

論文連結：http://www.pnas.org/content/early/2018/07/11/1806769115

（審稿：王少華）