中国学者一作兼通讯！不对称机械响应水凝胶，登上Sciecne！

以风、波和振动为主的机械运动或能量是广泛存在的。然而由于难以收集或操纵等原因，这种能量很少被利用。此外，多余的机械能传播会导致有害的影响，包括声音污染、对人类的伤害、以及对车辆和基础设施的破坏。但是，如果机械能可以通过允许机械能向特定方向优先传输的材料来控制或使用呢？

最近，各个领域都对非互易性质产生了浓厚的兴趣，因为它们可以提供独特的能力，如单向光传播、单向声学隔离、单方向波放大和单向机械波传输。但由于目前实现机械非互易性所需方法的复杂性，在材料中实现这种行为一直是一种挑战。

基于此，日本理化学研究所创发物性科学研究中心Yasuhiro Ishida教授和 Wang Xiang报告了一种均匀的复合水凝胶，由于嵌入式纳米填料的方向性屈曲，它显示了大量的机械非互易性。这种材料表现出的弹性模量在一个方向剪切时比相反方向高60倍以上。因此，它可以将对称振动转化为非对称振动，适用于质量传输和能量收集。此外，当受到局部相互作用时，它表现出不对称的变形，这可以诱发各种物体的定向运动。这种材料可以促进非互利系统的发展，用于能源转换和生物操纵等实际应用。相关成果以“Mechanical nonreciprocity in a uniform composite material”为题发表在最新一期《Science》上。

为了理解为什么机械性能会根据加载方向而改变，想象一下一张纸。如果你用两只手拿着纸，沿着纸的平面推，它很容易弯曲出平面，也就是说，它在压缩力的作用下会弯曲。然而，如果你试图拉伸纸张，就很难做到，在拉伸力的作用下，它保持在未扣紧的状态。同样，当一个力从右到左施加在非往复式凝胶上时，压缩力会施加在倾斜的氧化石墨烯片上，导致片子弯曲，并容易沿力的方向变形。但是，如果从相反的方向施加力，氧化石墨烯片需要被拉伸，因此很难沿相反方向变形。（图1A）

图 1. 对剪切力具有不对称响应的单向凝胶的设计和特性

由氧化石墨烯的方向相关屈曲引起的

不对称剪切响应

作者开发了一种复合水凝胶，由聚丙烯酰胺网络作为基体，氧化石墨烯（GO）纳米片作为纳米填料，其中纳米片以倾斜的方式单向定向（图1C）。选择GO纳米片是因为它们在受到面内压缩时很容易发生弯曲，这是因为它们的单原子厚度。图1D显示了这样的复合水凝胶的10毫米立方体的变形，当它被施加力F₀=0.8N（-F0=-0.8N）向右（左）剪切时，水凝胶在向左剪切时表现出的位移比向右剪切时大近10倍。力-位移关系也描述了水凝胶的高度不对称反应，这是机械非互易性的有力证据（图1Dii）。这种水凝胶被称为非互易性（NR）凝胶，而表现出较大和较小剪切变形的方向分别被称为较软和较硬的方向。

为了更定量地分析对剪切的不对称反应，在±20%的应变范围内测量NR凝胶的应力-应变关系（图2A）。当左边的应变变化到-20%时，弹性模量持续下降，导致应力的缓慢变化（图2A中的绿色）。相比之下，当改变右侧应变至+20%时，弹性模量随着应变的增加而大幅提高，因此应变-应力关系呈现出典型的J型曲线（图2A中的红色）。

为了确认这种不对称的反应是否真的来自于纳米填料的方向依赖性屈曲（图2B），作者通过调查NR凝胶沿Y轴的透光率来监测剪切变形期间GO纳米片的排列变化（图2C）。原始的NR凝胶显示出相当大的透光率，因为所有的GO纳米片都将其边缘暴露在光源下（图2C，顶部中心）。当向左（较软）剪切到-20%的应变时，透光率下降了69%（图2C，左上角），这表明由于屈曲而导致的GO方向的不协调。相比之下，当向右（更硬）剪切到+20%的应变时，透光率增加（图2C，右上）。这是因为GO纳米片的对准度提高了。小角度X射线散射（SAXS）分析的结果也证明了与方向有关的屈曲，其结果与与透光率的结果一致（图2C，D）。

图 2. NR 凝胶中 GO 纳米片的方向依赖性屈曲导致对剪切力的不对称响应

引导质量运输和定向旋转的机械能

非互易的机械系统有望以定向方式引导机械能量。如图3A所示，将机器产生的正弦振动（输入振动）从底部施加到NR凝胶薄膜上后，可以监测凝胶顶部的振动（输出振动）。这种转换是由NR凝胶的振动剪切变形促成的，它在频率、振幅和峰值形状方面都是高度不对称的（图3Aiii）。相比之下，含有随机取向的GO纳米片的参考水凝胶，在相同的条件下产生了对称的振动（图3Bii中的蓝色）。

利用上述产生的不对称振动，实现了物体的有效矢量运输。一个NR凝胶薄膜被放置在振动台上，上面放置了一个0.3μl的水滴（图3Ci）。当从底部施加对称的振动时，水滴开始向NR凝胶薄膜的较硬方向单向漂移。当振动台垂直排列时，水滴甚至可以逆着重力顺利爬升（图3D）。

作为一种均匀的材料，作者的NR凝胶的一个优点是其良好的可设计性--它可以被制造成任何形状或大小的碎片，并且这些碎片可以根据需要进行组装。利用这一点，作者通过组装六个扇形的NR凝胶片开发了一个装置，可以将振动的噪音转化为加载在装置上的轮子的旋转运动（图3E）。该旋转装置相当稳定，能容忍外部机械干扰，而且方向是可控的。并且它有望作为一个能量收集系统使用。

图 3. NR 凝胶将对称振动转换为不对称振动及其在定向质量传递和旋转中的应用

操纵物体和生物进行定向运动

除了整个凝胶的整体变形外，NR凝胶的另一个显著特征是它在受到局部变形时的行为。例如，当一个平行于Y轴的2毫米直径的金属圆柱体被垂直推到NR凝胶的表面时，它表现出高度不对称的变形（图4Aii），与R凝胶的情况相反（图4Ai）。在圆柱体的左侧（较软），凝胶急剧弯曲并与圆柱体紧密接触。相比之下，在右侧（较硬），凝胶轻轻地弯曲，所以变形传播的距离更广（图4Aii）。理论研究表明，弹性应变的分布是高度不对称的：较软的一侧显示出比较硬的一侧高得多的应变。由于这种不对称的变形，作者的NR凝胶获得了诱导与之互动的物体定向运动的潜力。例如，当一个直径为2毫米的金属球自由落体到NR凝胶薄膜上时，它总是反弹到较硬的一面（图4B）。

即使是微米大小的物体也可能引起 NR 凝胶的不对称变形。然后作者尝试使用作者的 NR 凝胶来操纵小生物。作为概念验证示例，作者选择了秀丽隐杆线虫（图 4D）进行实验。当他们被放置在非互易凝胶上时，它们表现出没有任何梯度刺激的定向迁移，显示出控制其行为的潜力。

图 4. 局部压缩时 NR 凝胶的不对称变形及其在各种物体定向运动中的应用

小结

作者开发出一种均匀的材料，该材料显示出机械的非互易性并且对各种类型的力表现出不对称变形。这种材料可以诱导范围广泛的物体的定向传输，从宏观物体到小型生物，表明在力学、能源和生物学等各个领域都有潜在的应用。这种材料还可以拓宽当前超材料系统的范围，并激发更多有趣的设计，这些设计无法通过当前现有的互易材料实现。作者的材料可能为非互易机械系统的实际应用铺平道路，并激发非互易材料在其他物理系统（如光学和声学）中的发展。

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