我們科研團隊在3D打印超材料領(lǐng)域獲得新進展

3月7日，《自然·通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表華中科技大學(xué)材料學(xué)院史玉升教授團隊與香港城市大學(xué)呂堅院士團隊的合作研究成果：木材啟發(fā)的超材料催化劑用于穩(wěn)健和高效的水凈化系統(tǒng)(Wood-inspired metamaterial catalyst for robust and high-throughput water purification)。材料學(xué)院博士后（香港城市大學(xué)香江學(xué)者）張磊和材料學(xué)院博士生劉瀚文為論文共同第一作者，材料學(xué)院宋波教授、姚永剛教授及香港城市大學(xué)呂堅院士為論文的共同通訊作者。材料學(xué)院、材料成形與模具技術(shù)全國重點實驗室為該項研究的第一完成單位及第一通訊單位。 [n&SA]a  
持續(xù)的工業(yè)化和其他人類活動導(dǎo)致染料、重金屬和抗生素等有害污染物導(dǎo)致水質(zhì)嚴重惡化。目前的凈水系統(tǒng)是多過程且耗時的，包括物理過程和化學(xué)過程，如過濾、凝聚和脫鹽。物理過濾和化學(xué)反應(yīng)通常屬于水凈化過程的兩個不同階段。目前的工作也分別側(cè)重于催化劑的開發(fā)和結(jié)構(gòu)框架設(shè)計。由于力學(xué)、運輸和催化之間的耦合，很難實現(xiàn)多性能的協(xié)同改進。迫切需要開發(fā)功能催化劑和機械框架的集成設(shè)計，以實現(xiàn)系統(tǒng)級別的性能提升。超材料是一種人工復(fù)合結(jié)構(gòu)，可靈活設(shè)計以實現(xiàn)從微觀到宏觀的特殊物理特性。然而，傳統(tǒng)周期超材料的幾何特性是高度耦合和相互約束的，這限制了它們物理性質(zhì)的可調(diào)性。 5-POYug  
研究團隊提出了一種受道格拉斯冷杉啟發(fā)的超材料設(shè)計方法。道格拉斯冷杉最高可長到328英尺（100米），但直徑要小得多（~1.5米）。這種超高但薄的樹需要相當大的強度來抵御風(fēng)，并且需要一種機制來將水和營養(yǎng)物質(zhì)從根部充分傳輸?shù)巾敹恕Ｎ⒂^結(jié)構(gòu)分析表明，支持樹木健壯生長的關(guān)鍵因素在于源自導(dǎo)管和纖維的交錯/雙峰孔隙分布模式。棋盤狀孔隙有利于利用有限的體積空間進行物質(zhì)傳輸，而交錯模式類似于三明治結(jié)構(gòu)可提高強度，從而使機械、傳輸性能解耦，實現(xiàn)協(xié)同改進機械和傳輸性能。受道格拉斯冷杉雙峰孔徑分布的啟發(fā)，團隊使用體心立方（BCC）微晶格重疊策略來構(gòu)建雙峰孔，這種以木材為靈感的疊加設(shè)計策略可以顯著提高超材料設(shè)計的自由度以及機械和傳輸特性的可調(diào)性。 T}K@ykT