非常规热响应超材料在温度变化下能够展现出超常的变形性能，如负、零和超大热膨胀，在高精度仪器、航空航天等热变形影响较大的领域具有广阔应用前景。然而，目前的热响应超材料的热变形仍局限于正交方向的膨胀和收缩，难以实现类似于压缩扭转的转动或扭转变形。近日，南京工业大学任鑫教授课题组在最新一期《Extreme Mechanics Letters》上发表论文，在经典的手性压扭超材料胞元基础上，将手性肋条替换为高敏热双金属条，实现了热扭转与热收缩耦合的热变形，突破了材料仅在单一方向膨胀或收缩变形的性能边界。图1（a）为高敏热双金属在温度由室温加至300℃时的弯曲角度变化，展现了较好的热变形的可设计性。作者在前期的研究工作（Science Advances, 2024, 10, eads0892），已证明了该双金属片拥有良好的变形能力、驱动能力、响应速度和温度变形范围。图1（b）为本文中热响应三维手性超材料的构造，其中手性胞元的设计借鉴了2017年Frenzel等在《Science》发表的压扭超材料结构。作者们将手性肋条替换为热双金属条，尝试验证在温度变化下该超材料能否展现出图1（c）中的扭转行为。
图1：三维温度响应超材料设计概念：（a）热双金属材料变形测试；（b）三维超材料设计步骤；（c）热扭转变形示意图
作者们通过装配的方法制备了所提出的超材料结构，并采用油浴加热开展了温度试验，以验证该超材料在升温过程中，是否能够产生扭转或旋转的效应。图2为试验结果，其油浴温度从25℃逐渐增大到227℃。从图2（a）的局部变形图可以发现，该超材料产生了明显的扭转行为。图2（c）记录了该结构俯视下的变形图，并给出了对应的扭转角度。结果表明，该超材料实现了2.7°的角度变化。
图2：超材料的油浴试验变形过程：（a）局部放大图；（b）正视图下的结构变形；（c）俯视图下的结构变形。为了进一步定量分析胞元数量对扭转/旋转行为的影响，作者们通过有限元仿真分析了胞元数量分别为1×1…6×6的6组立方体超材料，在200℃温度变化下的变形行为。图3（a）为六组结构的模型示意图，图3（b）为升温后立方体超材料的位移和应力分布情况。结果表明，随着胞元阵列数量的增加，超材料的转动角度逐渐降低，最终可以稳定在5.4°。
图3：阵列的胞元数量对超材料变形的影响：（a）不同胞元数量的超材料模型；（b）六组超材料在200℃温度增量下的变形。
图4（a）和（b）进一步分析了边界条件约束对转动效应的影响。设计了两种不同的边界约束，经过仿真和试验发现，所研究的超材料变形主要由顶面和底面的相对扭转、以及结构整体的转动两部分构成。此外，作者们研究了手性肋条相对长度对转动角度的影响。图4（c）的结果表明，随着双金属条相对长度的增加，超材料结构的转动角度逐渐趋近于14°。
图4：超材料结构变形分析：（a）两种不同边界条件对转动效应的影响；（b）扭转和扭转、旋转的耦合效应；（c）双金属条的相对长度对转动角度的影响。
相关工作以“Thermal rotation behavior of 3D bimaterial bending-dominated chiral metamaterials”为题发表于最新一期的《Extreme Mechanics Letters》，南京工业大学博士研究生张毅为第一作者，任鑫教授为通讯作者。
任鑫，男，致公党党员，1988年生，博士，南京工业大学教授，博导，系主任。爱思唯尔中国高被引学者、全国超材料优秀青年学者、江苏省优秀青年基金获得者、江苏省333人才培养对象、江苏省青蓝工程骨干教师、南京市中青年拔尖人才、全球前2% 顶尖科学家。主要从事新型材料与结构、复合材料、结构工程、拓扑结构优化等方面的研究。作为负责人共主持包括国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目在内的纵向项目12项。共发表高水平论文一百余篇，其中以第一/通讯作者发表包括Science子刊Science Advances、自然指数期刊Advanced Functional Materials在内的Q1区SCI论文70余篇，“ESI高被引论文”十篇，单篇最高被引一千余次，论文总被引八千余次（谷歌学术），H指数49。授权国家发明专利8项、PCT国际专利3项、软件著作权1项。兼任中国土木工程学会先进工程材料分会理事、中国材料研究学会超材料分会理事、中国地震学会基础设施工程防灾减灾专业委员会委员等职。
张毅，男，南京工业大学2024级博士研究生，主要从事力学超材料、智能材料与结构等方面的研究。以第一作者发表包括Science子刊Science Advances、自然指数期刊Advanced Functional Materials在内的Q1区SCI论文9篇，曾入选中国科协青年科技人才培育工程博士生专项计划、全球前2%顶尖科学家榜单，获研究生国家奖学金、江苏省优秀学术硕士学位论文、江苏省力学学会科学技术一等奖等荣誉，受邀担任Compos. Part B-Eng、Int. J. Mech. Sci.、Eng. Struct.等权威期刊审稿人。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.eml.2026.102453
