氧化石墨烯，今日Science！

机械运动或能量，往往以风，波浪和振动的形式存在。然而，由于收集或操作困难等原因，大部分能量很少被使用。此外，机械能的不必要传播会导致有害影响，包括声音污染、对人类的伤害以及对车辆和基础设施的损坏。但是，如果机械能可以通过允许在特定方向上优先传输的材料来控制或使用呢？

在此，日本理化学研究所（RIKEN）新兴物质科学中心Yasuhiro Ishida教授和Xiang Wang等人报告了一种新型材料，显示了在基于加载方向的不同机械响应（“非互易性”）。

作者通过在水凝胶中嵌入定向的氧化石墨烯薄片来实现非互易，取向氧化石墨烯薄片根据加载方向具有相应不同机械性能，其在两种不同微观结构之间切换，这种材料在一个方向上剪切时的弹性模量高出另一个方向60倍以上。

这可以为引导、控制和阻尼机械能的应用打开大门，例如，允许引导声音传播、定向质量传递或使用随机机械运动的机械能集中，以及远离冲击、地震或振动的能力。

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在许多物理系统中，互易定律确保信号通过系统传播始终以对称方式发生。简而言之，如果系统以一种方式响应输入，那么当输入以相反的方向应用时，它也会做同样的事情。

打破这种对称性会引发非互易性，这是过去几年在各个领域越来越多地追求的特征，包括光学，声学，量子系统和力学。最近出现了对机械量表现出非互易性的系统，它们有可能以互易系统无法想象的方式引导、阻尼和控制机械信号和能量。

为了实现这样的系统，需要打破时间反演对称性（动态系统）或材料变形对称性（静态系统）。

一个简单的例子是通过将硅橡胶制造成鱼骨结构的超材料来实现位移场的非互易传输，然而到目前为止，机械非互易性主要是通过主动机器人或超材料框架的复杂设计来实现。即使是最先进的系统仍然依赖于互易材料的成型和连接，这限制了此类系统的设计自由度和实际应用。

作为一种替代策略，建议在均匀材料中追求机械不互易性作为其内在特性。无论形状和大小如何，这种材料都有望在任何条件下表现出非互易响应，并且原则上可以操纵与其相互作用的任何物体。

普通材料的机械互易性可以通过以下实验轻松证明：当将10毫米的常规聚丙烯酰胺水凝胶立方体固定在底部并在顶部左右剪切时，力逐渐增加到±0.8 N，它显示出相同的变形程度（图1A）。通过这种变形过程，位移呈线性变化，完全对称。这种对称性不仅适用于具有线性响应的材料，也适用于具有非线性响应的材料。

图1. 对剪切力具有不对称响应的非互易凝胶的设计和性能

为了创建对剪切力显示非互易响应的均匀材料，应在内部纳米结构中引入一些对称性破坏。可以从超材料框架的一些不对称设计中获得灵感，这些设计太复杂而不能直接使用，因此本文提出了一个更简单的模型，利用了一种称为屈曲的现象。假设相对于高度方向顺时针倾斜的弹性梁连接地板和天花板（图1B），其中连接点只允许枢轴运动。

地板是不可移动的，而天花板是水平滑动的并保持其高度。当天花板向左滑动时，梁会受到压缩力并最终弯曲，因此它不再有效地限制滑动运动。相比之下，当它向右滑动时，梁会受到拉力并且不弯曲，因此它在断裂之前继续限制滑动运动。

总体而言，倾斜梁的这种方向相关屈曲会导致整个系统对剪切力的不对称响应。设想这种机制将有助于创建具有机械非互易性的均匀材料，其中地板和天花板被弹性基体取代，倾斜的梁被纳米填料取代。

图2. 凝胶中GO纳米片的方向导致对剪切力的不对称响应

当施加对称振动时，产生的变形根据加载方向在大和小之间切换。由于非互易材料由水凝胶制成，因此柔软而有弹性。

这些特性对于可穿戴设备和水生环境非常有用。非互易机械性能可以通过最小化冲击或振动能量来保护物体 ，这种材料还可以通过引导机械能到所需的方向来放大机械能或将其作为另一种形式的能量收集，例如，使用将机械能转换为电能的压电材料的电力。

本文使用的复合水凝胶由聚丙烯酰胺网络作为基体和氧化石墨烯（GO）纳米片作为纳米填料，其中纳米片以倾斜的方式单向取向。

令人惊讶的是，水凝胶在向左剪切时表现出的位移几乎是向右剪切时的10倍，力-位移关系还描述了水凝胶的高度不对称响应，这是机械不互易性的有力证据。

同时，即使在单个点施加剪切力时，水凝胶也表现出类似的不对称行为。这种水凝胶被称为非互易（NR）凝胶，表现出较大和较小剪切变形的方向分别称为较软和较硬的方向。

图3. 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

图4. 凝胶在局部压缩时的不对称变形及其在各种物体的方向运动中的应用

总之，本文开发了一种均匀的材料，该材料具有机械非互易性，并且在各种类型的力下表现出不对称变形。这种材料可以诱导各种物体的定向传输，这表明在力学、能源和生物学等各个领域的潜在应用。

同时，这种材料还可以拓宽当前超材料系统的范围，激发更多有趣的设计，这是当前现有互易材料无法实现的。

原则上，本设计的非互易材料也适用于水凝胶以外的各种弹性体。因此，本文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中的发展，如光学和声学。

文献信息

Xiang Wang*, Zhihao Li, Shuxu Wang, Koki Sano†, Zhifang Sun, Zhenhua Shao, Asuka Takeishi, Seishiro Matsubara, Dai Okumura, Nobuyuki Sakai, Takayoshi Sasaki, Takuzo Aida, Yasuhiro Ishida*, Mechanical nonreciprocity in a uniform composite material,  Science, 2023,

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1206