超材料的有效性能主要来自其设计的微结构，而不是其组成材料。因此，如果能够通过施加外部刺激来显著改变微观结构，就能够改变超材料的有效性能。例如，一种超材料可以在阳光照射下改变其机械性能，通过自动调节照明条件可以改变其外观。刺激响应型超材料可以作为生物细胞的可调节拉伸平台。另一个例子是，弹性波的传播和偏振可以被光局部控制，这可能是意义上的时空超材料。先前沿着这些路线进行的实验是用温度、压力、溶剂、电压、静电磁场或光作为刺激。然而，这些实验仅限于宏观模型、有效的二维架构或有一个有限的材料参数调整范围，特别是不包括通过光来转换材料参数信号的极端可能性。
2022年，《Materials Today》期刊发表了卡尔斯鲁厄理工学院在3D光机械超材料方面的研究工作，论文标题为“3D optomechanical metamaterials”。
该研究考虑了可以被光刺激的经典弹性内外的机械超材料，打开了三维光机械超材料领域。从液晶弹性体开始，构造了两种具有不同定向方向的梁。接下来，基于这些弯曲单元的数量构建了超材料机制。第一种情况属于经典弹性；第二种情况超越经典弹性。对于这两种情况，通过沿一个晶体方向施加位移，并通过光学显微镜数字图像分析在亚单胞尺度上的行为，直接测量了有效的超材料行为。
这一路线的关键技术要求是能够制造三维液晶弹性体微结构，该结构内部任意点的局部液晶导向器可以沿任何目标方向定向。这项关键的技术最近已经可用，它是基于将双光子3D激光打印与在打印过程中打印区域内原位施加可变方向静电场的能力相结合而得到的技术，如图1a-d所示。为了将吸收分子引入到与外部光相耦合的超材料结构中，将该结构浸泡在含有分散红-1-甲基丙烯酸酯的溶液中(图1e)，使该溶液扩散到打印结构中。在洗涤后(图1f)，染料附着在打印的结构上，从而形成用于实验光响应测试的三维超材料微结构。
图1定义三维液晶导向场
该研究使用了一种新的精制液晶光敏树脂，如图2a所示。与作者之前的工作相比，该研究减少了E7的含量，避免E7在高温下从打印结构中蒸发，从而导致样品变质。基于这一步骤，得到了改进样品在温度下的长期行为。图2b中所示的数据证明了这一点。
图2光敏树脂的组成和性能
图中3和4总结了两种不同的弹性超材料的研究结果及其对光刺激的响应。第一种超材料是由图3a中所示的单元构建的。图3b的电子显微图和图3c的光显微镜图像分别显示了由3x3x5个这种单胞组成的超材料样品。这个图像中的红色是由于浸润的染料吸收了作为外部刺激的LED的光而显现的。根据三个中心层的行为，测量得到了样品的泊松比与LED电流之比，并用图3d中的小黑点表示。大的黑点是每个LED电流的四次单独测量的平均值。LED电流从0A增加到1.5A，而平均泊松比从0.47下降到-0.27。两种情况下的光学显微镜图像如图3e所示。在电流为1.5A时，可以清楚地看到由于样品中心层中单元的强烈横向收缩导致负泊松比。而第4层中的单元收缩小于第2层和第3层，这是由于超材料吸收和LED的定向特性导致LED光通过超材料后进行衰减。在超材料的顶部和底部几乎没有收缩，因为它们连接到了玻璃底板。由于底板的高导热性，这些点的局部温度能够保持接近环境温度。因此，产生的热应变接近于零。
图3光可调拉胀超材料
测试的第二种超材料是由图4a中所示的手性单胞制成的。它包括九个不同方向的导向轴，即三个正交笛卡尔轴和六个面对角线。如果沿着轴施加应变，这种单胞就会发生扭曲反应。在这里，作者选择了z轴。图4c显示了超材料样品的电子显微图。它由2x2x2个单胞和相同数量的倒置单胞组成，中间有一个中心层。这种构型使得扭转在样品的顶部和底部消失，消除了对滑动边界条件的需要。中心层的扭曲，除以轴向应变就是我们监测的材料参数与LED光级之比。图4d显示了四个独立实验的结果及其平均值。实体曲线是数值计算的结果，与实验数据吻合良好。具体来说，在0.7A左右的LED电流下，会出现扭转/应变翻转信号。这种信号翻转源于超材料单胞的手性变化，从图4e的图像中可以直接看到。
图4光可调手性弹性超材料
作者描述了一种经典的(柯西)线弹性超材料和一种非经典的微极性手性超材料，样品有效材料参数的信号可以通过照射光强为0-30W/cm2的LED蓝光而翻转。该方法利用了最近出现的在微米尺度上3D打印液晶导向场复杂三维分布的能力。通过原理证明了实验，克服了以前在响应性机械超材料领域的限制，这些限制要么是宏观模型，要么是二维模型，要么只显示有限的参数可调范围。随着样品质量和所含单胞数量的进一步改进，设计刺激响应型的材料结构有了进一步的可能性。
原始文献:
Alexander Münchinger, Li-Yun Hsu, Franziska Fürniß, Eva Blasco, Martin Wegener，3D optomechanical metamaterials, Materials Today 59(2022),https:// doi.org/10.1016/j.mattod.2022.08.020.
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