哈佛科研情侣提出“化学魔法”

在哈佛大学留学的中国夫妇李树聪和邓在《自然》杂志上发表了他们的第一篇“fit”论文，作为一项合作成果。

26岁的李书聪和27岁的邓分别来自河南郑州和贵州遵义。在赴美留学之前，前者就读于清华，后者就读于浙大。那时候他们还不认识。

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。”

谈到最初的相识，李书聪说:“来到哈佛后，我在一个学期里与雷勃同桌几次。当时的他高大健壮，皮肤黝黑，从来不说话，生活中也没有走得更近。后来我的一个课题涉及了很多力学知识，于是我开始和力学专业的雷勃讨论合作课题，两人有了第一次对话。”

现在，在哈佛校园里，他们做实验，写论文，开会，穿着校服锻炼。

两人都快博士毕业了，打算以后去波士顿或者加州的大学做博士后研究。博士后学完后都打算去高校任教，倾向于回国发展。

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》。

可以预见，发表在《自然》杂志上的论文《双一的作品》必将成为他们未来的代表作之一。据悉，这篇论文的题目是液体诱导的蜂窝微结构拓扑转变。

只需要一滴液体，10秒钟就能改变物质结构。

在研究中，他们只需要一滴液体就可以将材料的微观结构从三角形网格变成六边形网格，而这个过程只需要10秒钟。再滴一滴液体，结构就可以从六边形网格转换成三角形网格。

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。

将材料微观结构由三角形变为六边形的液体是丙酮，而将六边形可逆地变为三角形的液体是乙醇和二氯甲烷的混合物。这三种溶剂是工业上常用的有机溶剂。

这种转化现象的原因是所选择的有机溶剂可以暂时软化聚合物材料，并在蒸发过程中提供毛细管力诱导的组装。

对于实验过程，李书聪说，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，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，得到软的负微结构。

然后倒入所用的聚合物，重新成型即可得到具有精细微米结构的聚合物薄膜。

这时候就可以进行微观结构转化了:用小塑料管吸一滴，然后挤到高分子膜上，然后分散液滴，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。

该方法非常简单，因此有利于潜在的工业应用。即使是没有经过任何科研训练的普通人，也能在短短几分钟内完成实验。

实验原理可以从日常洗头开始。头发沾水后容易粘在一起。原因是发束间的毛细作用力，会导致头发粘连。

而蜂窝状结构的拓扑结构转换是由于类似洗发水的机理。当加入聚合物薄膜的液体蒸发时，结构表面会形成一个气液弯曲界面，产生毛细作用力。

一般来说，毛细作用力很弱，不足以使固体结构发生大的变形。但如果结构非常柔韧，就有可能因毛细作用力而变形甚至组装，比如洗发后头发变平、塌陷。

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。

利用这一原理，早期的科研人员可以通过液体蒸发形成的毛细作用力，在基底上组装几个相互分离的微纳米细柱或薄板。此时毛细力的特性是无孔不入的，正好可以提供蜂窝结构拓扑变形所需的局部力场。

比如液体蒸发时，液体留在节点附近，形成气液界面，就像一个个微型机器人精确地作用在每一面墙上。然而，与柔软且不连续的薄柱体/薄片不同，蜂窝结构作为相互连接的整体结构，需要克服大得多的变形和组装阻力。

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。

为解决上述问题，邓和李树聪提出了双尺度“软化-组合-硬化”方法。这种方法可以使加入的液体在结构尺度(微米)上形成大量的气液界面，从而对结构施加局部毛细作用力。另一方面，聚合物材料的暂时软化可以通过在分子尺度上溶胀材料来实现。

由于实验中的液体先于高分子材料中的液体蒸发，毛细作用力始终作用在软化的结构上，这将大大降低变形过程中的阻力，从而实现即使在毛细作用力较弱的情况下也能组装出蜂窝结构，最终改变其拓扑特征。

最后，当所有的液体从环境中和高分子材料内部蒸发后，材料会再次硬化，恢复其初始的杨氏模量，其机械强度可以得到保证。怕高温多日浸泡

为了测试这种方法的可行性，他们用微结构翻转的方法制作了一个三角形网格的蜂窝微结构，边长100微米，厚度7微米，深度70微米。

在测试中，他们首先向结构中加入一滴溶液。结构浸入后，溶液会渗入聚合物材料并使其软化。

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。

随着液体的蒸发，节点处产生的毛细作用力可以将软化的壁成对组装起来，每个节点的连接度可以从六边变成三边，原来的三角形网格重组为六边形网格。

当液体完全蒸发后，转化为六角形网格的蜂窝结构，可以硬化回原来的硬度。整个过程只需要10秒左右。

与原始微结构相比，组装后的结构在节点数量、连接程度、孔洞数量和大小、壁厚等结构属性上都发生了变化。

此外，组装后的结构无论是在高温状态下，还是在某些溶液中浸泡多天，都能保持六方构型。

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。

但有些功能的实现也会带来“买一送一”的副作用。虽然结构的高稳定性是好的，但也给拆卸带来了挑战:那些可以高度膨胀材料的解决方案可以通过引入剧烈变形来撕裂组装的壁，使结构恢复到原来的构型。但是，由于毛细力总是作用在软化的结构上，一旦溶液蒸发，结构就会重新组合。

为了实现微结构的可逆拓扑转变，他们采用双组分溶液来延迟毛细力的出现，然后作用于硬化的材料实现拆卸。

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。

此外，他们发现，通过调整两种溶液的比例，可以精细控制毛细作用力和软化与软化之间的动力学，从而获得一系列其他丰富的微观构型。

此外，据报道，该方法不仅可用于特殊材料的化学成分，还可用于多种高分子材料，并可与具有环境响应性的材料结合，从而实现多重变形。

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。

除了三角网格，他们还通过理论模型的预测设计，实现了几种更复杂网格结构的结构转换。

可用于飞机涂装和机器人制备。

对于应用，李书聪表示，他们非常希望行业内的一线研究人员能够根据自己的需求，从这项研究的成果中找到相关的解决方案。

邓雷勃说，他们提出了改变材料声学效果的想法，比如屏蔽一定频率范围内的超声波。

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。

以本研究中的三角形和六边形为例，假设当材料处于三角形时，可以传导某一频段的超声波，而当它变成六边形时，该频段的超声波就无法传播了。有了这个特性，就可以设计更多的应用，比如让飞机材料在某个频段实现超声波隐身。

同时，与原子相比，结构的尺寸还是很大的，所以使用这种方法不会改变微观材料的特性，但可以改变整个宏观材料的性质，即在微观与宏观互不影响的细观尺度上“做文章”，即让建筑结构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。

如果物质结构可以在介观尺度上改变，其性质也可以改变。一般来说，超材料的结构是很难被改变的，而如果有办法改变它的结构，就意味着可以改变材料的性质，这样我们就可以拥有可控的材料。

改变材料表面性质的原因是材料的应用场景随时都在变化，比如环境湿度就是最大的变量之一。

综上所述，本文提出的方法在理论上可以使材料具有湿度响应性，即可以在干湿两种条件下应用，并表现出不同的性能。

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。

如果要准备一个小型机器人，用这种方法改装一下，可能有同时做两栖机器人的潜力。在水下环境中，我们需要控制它的机械弹性、摩擦力和粘度等。，用这种方法很容易实现。

邓补充说，以铺设在房屋或车辆表面的材料为例，他们假设材料的疏水性和隔热能力在结构转换前后也会发生变化，这可能有助于材料在不同环境中的适应性。

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。

这也是本研究的实用性。很多时候，人们希望材料被制造出来后，可以像开关一样，通过“按压”来改变材料的性质。

研究听起来很酷，他们的爱好也很酷。邓非常注意生活和学习的平衡，也是一个体育爱好者。他喜欢放学后健身，喜欢打篮球、骑马、划船、攀岩和爬山。

若干年后，当他们都成为大学老师的时候，“校园学霸CP”也会成为一个努力工作，热爱运动的“大学老师CP”。这样的“人类灵魂工程师”会很受欢迎。