供稿人：王凯翔、吴玲玲 供稿单位：西安交通大学全国精密微纳制造技术国家重点实验室 发布日期：2024-07-07
通过周期性结构的合理设计，最近已经实现了天然材料无法达到的性能，例如超轻、超强、难压缩、易变形以及同时表现出负刚度、泊松比和负的质量密度等，这为声波操纵和隔离提供了独特的潜力，包括波的不可逆和无散射传播、声学隐身和声学带隙等潜在应用。
到目前为止，周期结构动力学的建立主要依赖于Bragg散射机制、局域共振机制以及惯性放大机制，基于上述机制制备的周期性声学超材料结构存在低频宽带隙与承载能力之间的矛盾。然而，Bergamini等人近期的研究提出使用手性连接将有限尺寸质量元素（原子）的纵向运动与其旋转耦合起来。研究表明，除了利用惯性效应之外，相邻手性中心的相对方向（在聚合物科学中称为立构规整度）强烈影响链中原子自旋之间的耦合性质，通过设计不同手性的声子晶体，可分别实现声波的带隙与透射行为，且设计的手性结构具有相同的密度和准静态刚度。这将对手性声子晶体的理解和设计产生影响，使其有望成为用于低频振动隔离应用的新型材料。
Bergamini通过增材制造工艺制备两个样品，每个样品包含两个分别以等规和间同构型排列的晶胞，这两种结构在 z 方向上基本上表现出相同的静态刚度，并且具有相同的均匀密度。图1显示了两个样品及其扫描激光多普勒振动测量 (SLDV)得到的透射率。
图1 等规立构与间规立构晶体及其透射光谱
组装对化学性质相同的聚合物的物理性能的关键影响已被证明。在这种情况下，在立体化学中将立构规整度的概念引入，作为手性元素。受这个概念的启发，Bergamini通过对比等规晶体和间规晶体的色散特性，展示了立构规整度对手性结构周期介质动态行为的影响，这些特性源于两种排列的不同性质。
图2 立构规整度对结构能带图的影响：（a）等规晶体结构（b）间规晶体结构（c）等规晶体带隙（d）间规晶体带隙
通过带隙测量，研究者指明声波在等规立构系统中的传播具有典型的质量-弹簧链行为，其中原子沿着声学分支同相移动；而在间规立构系统中，顶部和底部圆盘总是反相，而中心圆盘仍然静止，这是连接中心盘的韧带反向扭转的直接结果，意味着相邻盘的相对位移和与之相关的扭转应力相反。这允许在间规排列中打开 374 Hz 和 1816 Hz 之间的大带隙，这意味着在该频率范围内不存在任何传播模式，换句话说，在等规排列系统中，旋转是沿Z轴累积的，而原子的间规排列导致圆盘移动模式为交替静止，打破了柯西连续介质要求，由此产生的完全不同的动态性能，包括低频全带隙的形成。文章提出的间规排列结构的及其原理在土木，航空航天和机械工程等减振隔振领域具有重要意义。
图3 晶胞数量对等规和间规晶体扭曲的影响：(a) 全同立构晶体和 (b) 间同立构晶体（4 个晶胞）变形的 xy 分量的表面图。（c）扭转幅度是等规（红线）和间规（蓝线）晶体盘数的函数。