几乎所有天然和合成复合材料的特征属性都来自于层次结构。工程超材料通过精确的构型图案显示出天然复合材料中不存在的特性，通常在小于其影响现象波长的尺寸尺度上周期性地显示。轻质纤维增强聚合物复合材料，包括嵌入连续基体中的刚性/强力纤维，为微结构超材料提供了优越的结构平台。微血管纤维复合材料的出现，最初是为了通过充满功能流体的微通道实现仿生自愈，为动态可重构行为提供了独特的途径。
近期，研究人员创造并展示了一种新的血管超材料，可以重新配置以改变其热和电磁特性。
研究论文的通讯作者Jason Patrick说：“我们从活生物体中发现的微血管网络中获得灵感，并将这种微血管纳入了一种用玻璃纤维增强的结构环氧树脂中— —基本上是血管化的玻璃纤维。”。
“我们可以通过将不同的液体泵入血管系统来控制复合材料的多种特性。这种可重构性吸引了从飞机到建筑物再到微处理器的各种应用。”Patrick是北卡罗来纳州立大学土木、建筑和环境工程助理教授。
超材料是使用3D打印技术制作的。这使得工程师们能够创建各种形状和大小的微小管道网络，称为微血管。微血管可以整合到一系列结构复合材料中，从玻璃纤维到碳纤维，再到其他高强度防弹材料。
在实验中，研究人员将室温液态金属镓和铟合金注入血管系统。这使得研究人员能够通过操纵微血管结构来控制超材料的电磁特性。具体而言，通过控制脉管系统中包含的方向、间距和导电液态金属，可以控制材料如何过滤射频频谱中的特定电磁波。这种重新配置为可调谐通信和传感系统（如雷达、Wi-Fi）带来了潜力，这些系统能够按需在频谱的不同部分运行。
“动态重新配置电磁行为的能力确实很有价值，特别是在尺寸、重量和功率限制高度激励使用可在系统内执行多种通信和传感任务的设备的应用中，”合著者圣克拉拉大学电气工程助理教授Kurt Schab说。
研究人员还通过同一个脉管系统循环水，并证明他们可以操纵材料的热特性。
“这可以帮助我们在电动汽车、高超音速飞机和微处理器等设备上开发更高效的主动冷却系统，”Patrick说，“例如电动汽车中的电池目前依靠带有简单微通道的铝散热片进行冷却。我们相信，我们的超材料在散热方面同样有效，还可以保持对电源的结构保护，但重量将大大减轻。此外，3D打印允许我们创建更复杂、优化的血管结构。”
研究人员还指出，新的超材料应具有成本效益，因为它依赖于现成的复合材料制造工艺。
“纤维增强复合材料已经被广泛使用，”Patrick说，“我们正在做的是提高材料的先进性，利用3D打印技术来创建一类新的多功能、可重构的超材料，这种超材料具有可扩展、结构化实施的真正潜力，并且不应过于昂贵。”
Patrick说：“很明显，我们考虑过这种超材料的一些应用，但肯定有一些应用我们没有想到。”我们愿意与对如何进一步利用这一新材料有新想法的人合作。”
论文“基于微血管的多功能可重构超材料”已发表在《先进材料技术》杂志上。（点击阅读原文查看此项研究成果）第一作者是北卡罗来纳州立大学Urmi Devi博士。该论文由北卡罗来纳州立大学Zachary Phillips博士合著；德雷塞尔大学的Reza Pejman和Ahmad Najafi；俄亥俄州立大学的张鹏飞和Soheil Soghrati；休斯顿大学的Kalyana B. Nakshatrala和圣克拉拉大学的Kurt R. Schab。这项研究是在空军科学研究办公室FA9550-18-1-0048资助下进行的。
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