哈佛科研情侣提出“化学魔法”

中国哈佛留学生情侣李姝聪和邓博磊， 以共同一作身份，在Nature正刊发表人生首篇“合体”论文。

李姝聪今年26岁，邓博磊27岁，分别来自河南郑州和贵州遵义。留学美国之前， 前者在清华读书， 后者在浙大学习， 一南一北的他们，当时并不认识。

谈及最初相识，李姝聪说：“来哈佛后，有一学期上课我和博磊有几次是同桌，他当时高高壮壮的有一米九多，皮肤黑黑的，从不讲话，生活上也从没有进一步走近。后来我的一个课题涉及很多的力学知识，就和力学专业的博磊开始讨论合作课题，才有了两人之间第一次的对话。”

如今在哈佛校园里，他们一起做实验，一起写论文，一起开会，还一起穿着校服健身。

他们俩马上就要博士毕业，后面计划在波士顿或加州的高校做博后研究。博后研究结束后，他们都打算去高校做教职，且倾向回国发展。

可以预见的是，本次发在Nature正刊的“双一作”论文，必将成为他们未来的代表作之一。据悉，本次研究的论文题目为《液体诱导的蜂窝状微结构拓扑转变》。

只需一滴液体，10秒推钟荐即可改变材料结构

研究中，他们只用一滴液体就能把材料微结构、从三角形网格变成六边形网格，这一过程仅需10秒钟。再用另一滴液体，就能将结构从六边形网格转换回三角形网格。

让材料微结构从三角形、变成六边形的液体是丙酮，而让六边形再可逆转换成为三角形的液体，是乙醇和二氯甲烷的混合物。这三种溶剂都是工业界常用的有机溶剂。

之所以能发生这种转换现象，是因为选用的有机溶剂，可对高分子材料起到一种暂时软化作用，且能在蒸发时提供毛细力诱导组装。

对于实验过程， 李姝聪表示， 首先需要铸造一个微结构， 过程中需要微加工和光刻。得到微结构后， 使用PDMS（P o l y d i m e t h y l s i l o x a n e，聚二甲基硅氧烷）进行倒模脱模，得到一个软的负微结构。

然后把所使用的高分子灌注进去，进行再次翻模就能得到具有精细微米结构的高分子膜。

这时，就能进行微结构转化：使用小塑料管吸取一滴液滴，再把它挤到高分子膜上，随后液滴散开，让其完全蒸发。

过程非常简单，因此很利于投入潜在的工业应用，即便未经过任何科研训练的普通人，也只需几分钟就能完成实验。

其实验原理可从日常洗头发说起，头发湿水后往往会粘成一股，原因是发丝之间的毛细力作用，可导致头发粘连。

而对蜂窝状结构进行拓扑结构转换，正源于和洗头类似的机理，向高分子膜加入的液体蒸发时，会在结构表面形成气液弯界面，从而产生毛细力。

通常来讲，毛细力非常弱小，并不足以让固体结构发生大的变形。但如果结构非常柔性，就有可能被毛细力变形甚至组装，比如洗头后扁塌塌的头发。

利用该原理，早期科研工作者可通过液体蒸发形成的毛细力，把基底上若干互相分离的微纳米细柱、或薄板组装到一起。这时，毛细力无孔不入的特性，恰好能提供蜂窝结构拓扑变形所需的局部力场。

打比方来说，液体蒸发时在节点附近残留液体、形成的气液界面，就好像一个个微型机器人精准地作用在每个壁面上。然而，与柔软分立的细柱/薄板不同，蜂窝结构作为一个互联的整体结构，它的变形和组装需要克服大得多的阻力。

为解决上述问题，邓博磊和李姝聪提出一种二重尺度共同作用的“软化-组装-硬化”方法，该方法可让加入的液体，在结构尺度（微米）上形成大量气液界面，从而给结构施加局部毛细力。另一方面，通过在分子尺度上溶胀材料，可以实现高分子材料的暫时性软化。

因为实验中的液体先于高分子材料里的液体蒸发，所以毛细力总是作用在被软化的结构上，这会大大降低变形过程中的阻力，从而实现即便只有弱小的毛细力，也能组装蜂窝结构，并最终改变它的拓扑特性。

最后，当所有液体从环境和高分子材料内部蒸发掉后，材料又会重新硬化、并恢复最初的杨氏模量，其力学强度也可得到保证。

无惧高温和多日浸泡

为测试该方法的可行性，他们采用微结构翻模的方法，制造出一块三角形网格的蜂窝微结构， 其边长是100微米、厚度7微米、深度为70微米。

测试中，他们先给结构加入一滴溶液，结构被浸没后，溶液会渗入高分子材料并实现软化。

随着液体的蒸发，节点处产生的毛细力， 可将软化的壁面两两组装到一起，每个节点的联结度，可从六条边变成三条边，最初的三角形网格也被重组成了六边形网格。

当液体完全蒸发后，被转化为六边形网格的蜂窝结构，可以重新硬化回最初的硬度，整个过程仅耗时10秒左右。

相比最初的微结构，组装后的结构在节点数量、联结度、孔洞数量和大小、以及壁面的厚度等结构属性方面都发生了改变。

另外，无论是处于高温状态、亦或是被一些溶液多日浸泡，组装后的结构都能保持六边形构型。

但有些功能的实现，也会带来“买一赠一” 的副作用，结构的高稳定性固然是好，却也给解组装带来了挑战：那些可以高度溶胀材料的溶液，能通过引入剧烈形变， 去撕开组装在一起的壁面，从而让结构回到最初构型，但因为毛细力总是作用在被软化的结构上，一旦溶液蒸发， 结构又会被重新组装起来。

为实现微结构的可逆拓扑变换，他们使用双组分溶液，来延缓毛细力的出现，这时再将其作用于已经硬化的材料上，就可实现解组装。

此外，他们发现通过调整两种溶液的比例，可以精细地控制毛细力、和软硬化之间的动力学作用，从而得到一系列其它丰富的微构型。

另据悉，本次方法不仅可用于特殊材料化学组分，也可用于多种高分子材料，并能和本身具有环境响应性的材料结合，从而实现多重形变。

除了三角形网格，他们通过理论模型的预测设计，还实现了几种更复杂网格结构的结构转化。

可用于飞机涂层和机器人制备等

对于应用，李姝聪说他们非常希望工业界一线科研人员，可根据自身需求来从本次研究中成果中，找到相关解决方案。

邓博磊说，他们提出了一种设想，即改变材料的声学效应，比如屏蔽某一频率段的超声波。

以本次研究中的三角形和六边形为例， 假设材料处于三角形时， 可以传导某个频段的超声波， 但是当其变成六边形， 该频段的超声波就不能传播， 借助这种特点就可以设计出更多应用， 比如让飞机材料实现某个频率段的超声波隐身。

同时相比原子， 该结构的尺寸依然很大，所以使用该方法并不会改变微观材料的特性，但却能改变整个宏观材料的属性，也就是在微观和宏观之间的互不影响的、介观尺度上“做文章”，即让建筑构造来决定材料的最终性质。

如果能在介观尺度上改变材料结构， 就可以改变它的属性。一般情况下， 超材料造出来后的结构很难被改变，而如果有改变其结构的办法，就意味着能改变材料的属性，如此便可拥有可调控的材料。

而之所以要改变材料表面性质，是因为材料的应用场景随时在变化，比如环境湿度就是最大的变量之一。

概括来说，本次提出的方法，在理论上能让材料具备湿度响应性，即在干燥和湿润状态下都能被应用并体现出不同的性质。

假如要制备一个小机器人，使用本方法修饰就可能有潜力同时做水陆两用机器人。在水下环境中， 我们需要调控它的力学弹性、水中穿过的摩擦力和黏性等，这时借助本次方法就可以轻松实现。

邓博磊补充称，以铺设在房屋或车辆表面的材料为例，他们设想的是材料在结构变换前后，其亲疏水性和隔热散热能力也可发生改变，这对于材料在不同环境中的适应性可能会有帮助。

这也是该研究的实用性所在，很多时候人们希望材料的性质，在造出来之后可以像开关一样，“摁一下”就能改变。

研究聽起来很酷， 他们的爱好也非常酷。邓博磊非常注重生活和学业的平衡，也是一名运动爱好者，课余爱好健身，喜欢打篮球、骑行、划船、攀岩和爬山等。

几年后，当他们都成为高校老师，“校园学霸CP”也将成为“高校教师CP”，又努力、又爱运动，这样的“人类灵魂工程师”一定大受欢迎。