神经元启发的斯坦纳树网络3D低密度超结构

       将仿生几何学，如蜂窝、蝶翅的回转体和开尔文泡沫，融入到微纳超结构的设计和制造中，已经创造了各种类型的具有特殊性能的低密度超构材料，如超轻、超刚度和光子/声子现象，包括圆二色性和光学活动。这些低密度的超构材料，无论是软的还是硬的，在工程应用中都非常有价值，包括隔热、减震或减振、催化剂支撑等，也成为发现传统超构材料以及拓扑光子学中的非常规准粒子的肥沃土壤。设计低密度超构材料的传统方法基于“最小表面”的概念，特别是仿生最小表面。已经创建和研究了各种类型的低密度超构材料，例如开尔文泡沫晶格、八面体桁架、回转体晶格和壳体。自然界中最小的基于表面的解决方案盛行背后的共同驱动力是这样一个原理，即自然结构被“编程”以最小的能量消耗来填充和稳定体积。特别是，这些结构具有某些晶体组的对称性，可以推导出新的特性。回转体不仅作为一种力学超构材料被研究，而且发现在引入对称破环时具有韦尔点和拓扑圆二色性。然而，通过最小化表面积来创建超结构来填充空间并不是唯一的自然要求，其他模仿自然解决方案的机会还有待开发。

       近日，上海理工大学顾敏教授团队模拟生物神经网络（BNNs）的结构特征，以创建通过最短连接距离互连体积的3D低密度超构材料：这是所谓的斯坦纳树问题的生物解决方案。由此产生的3D斯坦纳树网络（STN）可以通过使用双光子纳米光刻（TPN）技术制造为具有纳米特征尺寸的超构材料，该技术表现出由扭曲自由度触发的显着力学和拓扑特性。3D斯坦纳树网络中的90°扭曲导致顶层和底层之间的应变能沿T-STN晶胞中的Z方向更均匀地重新分布，从而提高了杨氏模量和不同质量密度尺度下的屈服强度。有趣的是，由于垂直于Z方向的不同光子带中的本征模之间的强耦合，斯坦纳树网络中的这种扭曲几何变化也引起了拓扑转变，其中狄拉克式圆锥在布里渊区的中心形成色散，带−2拓扑电荷，其出现可能与最近在扭曲电子学中发现的“扭曲魔角”现象有关，例如双层石墨烯和2D范德华材料。基于这种斯坦纳树路径优化方法的3D斯坦纳树网络为新型3D低密度超构材料的实现开辟了新的空间，并为3D拓扑光子学研究提供了新的平台。这些进展可以应用于机械坚固的光接口，如零折射率的3D介电材料，也可能为具有更高连通性的光子神经网络提供一个新的平台。相关研究发表在《Advanced Science》上。（徐锐）

       文章链接：H. Yu, Q. Zhang, B. P. Cumming, et al. Neuron‐Inspired Steiner Tree Networks for 3D Low‐Density metastructures[J]. Advanced Science, 2021.https://doi.org/10.1002/advs.202100141