材料科学：セル状微細構造の液体誘起トポロジー変換
Nature 592, 7854 doi: 10.1038/s41586-021-03404-7
セル状構造の基本トポロジー（ノードやコンパートメントの位置、数、連結性）は、熱輸送、流体輸送、粒子輸送だけでなく、音響特性、電気的特性、化学的特性、機械的特性、光学的特性に多大な影響を与えることがある。セル状材料において膨張、電磁アクチュエーション、機械的不安定性を利用する手法によって、さまざまな興味深い壁変形やコンパートメント形状変化が可能になったが、得られた構造は一般に、最初のトポロジーを特徴付ける連結性を維持している。トポロジー変換の実現は、既存戦略の明確な課題である。これには、特に連結に起因して弾性抵抗が最大となる各ノード周りにおいて、複雑な再組織化、再充填、協調的な曲げ、伸長、折り畳みが必要になる。今回我々は、セル状微細構造の基本トポロジーの系統的な可逆的変換を実現し、さまざまな材料や幾何形状に応用できる、二段階の動的戦略を提示する。この手法で必要となるのは、構造を選択された液体にさらすことだけである。この液体は、まず分子スケールで材料に染み込んでそれを可塑化し、次いで蒸発すると、局在化した毛管力のネットワークをその構造のスケールで形成できる。この毛管力によって、軟化した格子の縁同士が「ファスナーを閉じる」ように接合され、新たなトポロジー構造に変化し、生じた構造はその後再度硬化して、動力学的に動きが止まった状態を保つ。分子スケールと構造スケールで別々に作用する液体の混合物に適用する（これによって、軟化–蒸発–硬化という順序全体にわたるモジュール式時間制御が可能になる）ことで可逆性が誘起され、元のトポロジーに回復するか、中間モードが得られる。我々は、セルの幾何形状と材料の剛性と毛管力を関連付ける一般化理論モデルを指針として、大域的または局所的な高速変形を起こすさまざまな格子形状や応答性材料の、プログラムされた可逆的なトポロジー変換を実証した。次に我々は、動的トポロジーを利用して、調整可能な機械的特性、化学的特性、音響特性を有するだけでなく、情報暗号化、選択的な粒子捕捉、泡放出といった機能を有する能動表面を開発した。
