材料科学：電気化学的に再構成可能なアーキテクテッド・マテリアル

アーキテクテッド・マテリアルは、その幾何学的構造を変化させて新奇な機能性を実現することによって、機械力、水和作用、磁場などの外部刺激に対して能動的に応答できる。そうした変化は、「オン」と「オフ」の状態の間で切り替わり、持続的な外部刺激が必要なため、通常は2値的で揮発性である。今回我々は、シリコンを被覆した三次元正方晶マイクロ格子を開発した。この格子は、電気化学的に駆動されるシリコン–リチウム合金化反応に応答した協同的な梁座屈を通して、正弦波パターンへ変化する。また、in situ顕微鏡法からは、制御可能で不揮発性の可逆的な構造変化によって、変形したドメイン境界で分離された複数の規則的な座屈ドメインが形成されることが明らかになった。我々は、化学–機械モデリングと統計力学による分析を通して、個々の座屈梁、隣接する梁間の協同的な結合、リチオ化速度に依存するドメインサイズの分布の機械力学を調べた。今回の結果は、アーキテクテッド・マテリアルの動的応答における欠陥とエネルギーゆらぎの重要な役割を浮き彫りにしている。さらに我々は、ドメイン境界が特定のパターンを形成するようあらかじめ設計した人工的な欠陥によってプログラムできるとともに、マイクロアーキテクチャーの設計を通してさまざまな再構成自由度が実現できることを実証する。この枠組みによって、電気化学的に再構成可能なアーキテクテッド・マテリアルの設計、製造、モデリング、挙動の予測、プログラミングが可能になり、インターカレーションを超える電池電極、調整可能なフォノニック結晶、生体埋め込み型デバイスへの道が開かれる可能性がある。

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