美國時間 4 月 15 日，中國 95 後哈佛留學生情侶李姝聰和鄧博磊，以共同一作身份，在Nature正刊發表人生首篇 “合體” 論文。
李姝聰今年 26 歲，鄧博磊 27 歲，分別來自河南鄭州和貴州遵義。留學美國之前，前者在清華讀書，後者在浙大學習，一南一北的他們，當時並不認識。
圖 | 鄧博磊和李姝聰（來源：受訪者）
談及最初相識，李姝聰告訴 DeepTech：“來哈佛後，有一學期上課我和博磊有幾次是同桌，他當時高高壯壯的有一米九多，面板黑黑的，從不講話，生活上也從沒有進一步走近。後來我的一個課題涉及很多的力學知識，就和力學專業的博磊開始討論合作課題，才有了兩人之間第一次的對話。”
如今在哈佛校園裡，他們一起做實驗，一起寫論文，一起開會，還一起穿著校服健身。
圖 | 一起學習一起更健康（來源：受訪者）
他們倆馬上就要博士畢業，後面計劃在波士頓或加州的高校做博後研究。博後研究結束後，他們都打算去高校做教職，且傾向回國發展。
可以預見的是，本次發在Nature正刊的 “雙一作” 論文，必將成為他們未來的代表作之一。據悉，本次研究的論文題目為《液體誘導的蜂窩狀微結構拓撲轉變》Liquid-induced topological transformations of cellular microstructures。
只需一滴液體，10 秒鐘即可改變材料結構
研究中，他們
只用一滴液體就能把材料微結構、從三角形網格變成六邊形網格，這一過程僅需 10 秒鐘。
再用另一滴液體，就能將結構從六邊形網格轉換回三角形網格。
讓材料微結構從三角形、變成六邊形的液體是丙酮，而讓六邊形再可逆轉換成為三角形的液體，是乙醇和二氯甲烷的混合物。這三種溶劑都是工業界常用的有機溶劑。
之所以能發生這種轉換現象，是因為選用的有機溶劑，可對高分子材料起到一種暫時軟化作用，且能在蒸發時提供毛細力誘導組裝。
對於實驗過程，李姝聰表示，
首
先需要鑄造一個微結構，過程中需要微加工和光刻。得到微結構後，使用 PDMS（Polydimethylsiloxane，聚二甲基矽氧烷）進行倒模脫模，得到一個軟的負微結構。
然後把所使用的高分子灌注進去，進行再次翻模就能得到具有精細微米結構的高分子膜。
這時，就能進行微結構轉化：使用小塑膠管吸取一滴液滴，再把它擠到高分子膜上，隨後液滴散開，讓其完全蒸發。
過程非常簡單，因此很利於投入潛在的工業應用，即便未經過任何科研訓練的普通人，也只需幾分鐘就能完成實驗。
其實驗原理可從日常洗頭髮說起，頭髮溼水後往往會粘成一股，原因是髮絲之間的毛細力作用，可導致頭髮粘連。
而對蜂窩狀結構進行拓撲結構轉換，正源於和洗頭類似的機理，
向高分子膜加入的液體蒸發時，會在結構表面形成氣液彎介面，從而產生毛細力。
通常來講，毛細力非常弱小，並不足以讓固體結構發生大的變形。但如果結構非常柔性，就有可能被毛細力變形甚至組裝，比如洗頭後扁塌塌的頭髮。
利用該原理，早期科研工作者可透過液體蒸發形成的毛細力，把基底上若干互相分離的微奈米細柱、或薄板組裝到一起。這時，
毛細力無孔不入的特性，恰好能提供蜂窩結構拓撲變形所需的區域性力場。
打比方來說，液體蒸發時在節點附近殘留液體、形成的氣液介面，就好像一個個微型機器人精準地作用在每個壁面上。然而，與柔軟分立的細柱 / 薄板不同，蜂窩結構作為一個互聯的整體結構，它的變形和組裝需要克服大得多的阻力。
圖 | 鄧博磊和李姝聰提出的一種二重尺度共同作用的“軟化-組裝-硬化”方法（來源：受訪者）
為解決上述問題，鄧博磊和李姝聰提出一種二重尺度共同作用的 “軟化 - 組裝 - 硬化” 方法，該方法可讓加入的液體，在結構尺度（微米）上形成大量氣液介面，從而給結構施加區域性毛細力。另一方面，透過在分子尺度上溶脹材料，可以實現高分子材料的暫時性軟化。
因為實驗中的液體先於高分子材料裡的液體蒸發，所以毛細力總是作用在被軟化的結構上，這會大大降低變形過程中的阻力，
從而實現即便只有弱小的毛細力，也能組裝蜂窩結構，並最終改變它的拓撲特性。
最後，當所有液體從環境和高分子材料內部蒸發掉後，材料又會重新硬化、並恢復最初的楊氏模量，其力學強度也可得到保證。
無懼高溫和多日浸泡
為測試該方法的可行性，他們採用微結構翻模的方法，製造出一塊三角形網格的蜂窩微結構，其邊長是 100 微米、厚度 7 微米、深度為 70 微米。
測試中，他們先給結構加入一滴溶液，結構被浸沒後，溶液會滲入高分子材料並實現軟化。
隨著液體的蒸發，節點處產生的毛細力，可將軟化的壁面兩兩組裝到一起，每個節點的聯結度，可從六條邊變成三條邊，最初的三角形網格也被重組成了六邊形網格。
當液體完全蒸發後，被轉化為六邊形網格的蜂窩結構，可以重新硬化回最初的硬度，整個過程僅耗時 10 秒左右。
相比最初的微結構，組裝後的結構在節點數量、聯結度、孔洞數量和大小、以及壁面的厚度等結構屬性方面都發生了改變。
另外，無論是處於高溫狀態、亦或是被一些溶液多日浸泡，組裝後的結構都能保持六邊形構型。
圖 | 三角形網格的微結構被一滴溶液被組裝成六邊形網格，實現了結構的拓撲變化（來源：受訪者）
但有些功能的實現，也會帶來 “買一贈一” 的副作用，結構的高穩定性固然是好，卻也給解組裝帶來了挑戰：那些可以高度溶脹材料的溶液，能透過引入劇烈形變，去撕開組裝在一起的壁面，從而讓結構回到最初構型，但因為毛細力總是作用在被軟化的結構上，一旦溶液蒸發，結構又會被重新組裝起來。
為實現微結構的可逆拓撲變換，他們
使用雙組分溶液，來延緩毛細力的出現，這時再將其作用於已經硬化的材料上，就可實現解組裝。
圖 | 運用雙組份溶液解組裝結構，組裝後的六邊形結構被轉換回最初的三角形構型（來源：受訪者）
此外，他們發現透過調整兩種溶液的比例，可以精細地控制毛細力、和軟硬化之間的動力學作用，從而得到一系列其它豐富的微構型。
圖 | 除了六邊形結構，透過調控雙組份溶液的比例同一個三角形網格可以被轉化成一系列不同的構型（來源：受訪者）
另據悉，本次方法不僅可用於特殊材料化學組分，也可用於多種高分子材料，並能和本身具有環境響應性的材料結合，從而實現多重形變。
除了三角形網格，他們透過理論模型的預測設計，還實現了幾種更復雜網格結構的結構轉化。
圖 | 其他蜂窩微結構的拓撲變形（來源：受訪者）
可用於飛機塗層和機器人制備等
對於應用，李姝聰說他們非常希望工業界一線科研人員，可根據自身需求來從本次研究中成果中，找到相關解決方案。
鄧博磊說，他們提出了一種設想，即改變材料的聲學效應，比如遮蔽某一頻率段的超聲波。
以本次研究中的三角形和六邊形為例，假設材料處於三角形時，可以傳導某個頻段的超聲波，但是當其變成六邊形，該頻段的超聲波就不能傳播，藉助這種特點就可以設計出更多應用，比如
讓飛機材料實現某個頻率段的超聲波隱身。
圖 | 飛機機翼表面（來源：Pixabay）
同時相比原子，該結構的尺寸依然很大，所以使用該方法並不會改變微觀材料的特性，但卻能改變整個宏觀材料的屬性，也就是
在微觀和宏觀之間的互不影響的、介觀尺度上“做文章”，即讓建築構造來決定材料的最終性質。
如果能在介觀尺度上改變材料結構，就可以改變它的屬性。一般情況下，超材料造出來後的結構很難被改變，而如果有改變其結構的辦法，就意味著能改變材料的屬性，
如此便可擁有可調控的材料。
而之所以要改變材料表面性質，是因為材料的應用場景隨時在變化，比如環境溼度就是最大的變數之一。
概括來說，本次提出的方法，
在理論上能讓材料具備溼度響應性，即在乾燥和溼潤狀態下都能被應用並體現出不同的性質。
假如要製備一個小機器人，使用本方法修飾就可能有潛力同時做水陸兩用機器人。在水下環境中，我們需要調控它的力學彈性、水中穿過的摩擦力和黏性等，這時藉助本次方法就可以輕鬆實現。
圖 | 晶格結構進行拓撲變換的示例應用（來源：受訪者）
鄧博磊補充稱，以鋪設在房屋或車輛表面的材料為例，他們設想的是材料在結構變換前後，其親疏水性和隔熱散熱能力也可發生改變，這對於材料在不同環境中的適應性可能會有幫助。
這也是該研究的實用性所在，很多時候人們希望材料的性質，在造出來之後可以像開關一樣，“摁一下” 就能改變。
圖 | 做實驗的李姝聰（來源：受訪者）
研究聽起來很酷，他們的愛好也非常酷。鄧博磊非常注重生活和學業的平衡，也是一名運動愛好者，課餘愛好健身，喜歡打籃球、騎行、划船、攀巖和爬山等。
圖 | 攀巖的鄧博磊（來源：受訪者）
幾年後，當他們都成為高校老師，“校園學霸CP”也將成為“高校教師CP”，又努力、又愛運動，這樣的“人類靈魂工程師”一定大受歡迎。
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參考：