通过残余溶胀实现几何复合材料的形态转变
软凝聚态物质
2015-06-02 v2
摘要
理解和控制薄软物体的形状一直是过去十年物理学家、生物学家和工程师的重要研究焦点。这些研究旨在以新颖、自适应的方式利用先进材料，例如制造智能致动器或模拟活体组织。在此，我们展示了通过制备因残余溶胀而变形的几何复合结构，实现二维薄片向三维形状的可控生长式形态转变。这些几何复合材料的形态转变由溶胀和几何形状共同决定，其中扩散控制溶胀诱导的致动，而几何约束决定结构的变形形状。基于一个简单的力学类比，我们提出了一个解析模型，定量描述了薄盘的高斯曲率和平均曲率如何受几何、力学和溶胀之间相互作用的影响。该模型与我们的实验和数值模拟结果吻合极好。我们表明，残余溶胀的动力学由几何控制的两个特征扩散长度尺度之间的竞争所决定。我们的结果提供了 Timoshenko 经典双金属梁热弯曲公式的首个二维类比——我们的推广解释了二维几何复合材料的高斯曲率如何受几何和弹性影响。这些结果所赋予的理解表明，几何复合材料的可控成型可为传统制造技术提供简单的补充。
引用
@article{arxiv.1504.03010,
title = {Morphing of Geometric Composites via Residual Swelling},
author = {Matteo Pezzulla and Steven A. Shillig and Paola Nardinocchi and Douglas P. Holmes},
journal= {arXiv preprint arXiv:1504.03010},
year = {2015}
}