新兴研究员系列专访：张云兰博士谈通过反对称弯曲实现结构化超材料双稳态

《Materials Horizons》：Materials Horizons Emerging Investigator Series: Dr Yunlan (Emma) Zhang, The University of Texas at Austin, United StatesFree

　　

我们的“新兴研究员系列”展示了在材料科学领域工作的早期职业研究人员的杰出研究成果。

张云兰（Emma）博士（https://orcid.org/0009-0008-5747-4561）是德克萨斯大学奥斯汀分校的土木、建筑与环境工程助理教授。在加入德克萨斯大学奥斯汀分校之前，她曾在牛津大学工程科学系担任博士后研究员，从事医疗应用用可部署结构的研究。张博士于2019年在普渡大学获得土木工程博士学位和硕士学位，研究方向是旨在模仿形状记忆合金独特性能的结构材料。她于2012年在俄亥俄州立大学获得土木工程学士学位。

张博士的研究领域包括结构材料、可部署结构、仿生设计以及先进制造技术。她将结构创新和材料创新结合起来，开发出应用于从微型医疗设备到大规模生态修复基础设施以及外星栖息地的先进系统。2026年，她因在先进结构和材料方面的贡献而获得美国土木工程师协会航空航天分会的技术贡献奖。她既喜欢与学生合作，也热衷于进行研究工作。

阅读Emma Zhang在“新兴研究员系列”中的文章《通过反对称弯曲实现的结构化超材料的双稳态》（ https://doi.org/10.1039/d6mh00868b），并在下面的采访中了解更多关于她的信息：

MH：您最近的《材料视野》通讯中介绍了一种模块化单元格，这种单元格通过外部施加的弯曲力或旋转，使得三维曲壳能够实现稳定状态的转变。您的研究从最初的文章发展到了最新的这篇文章，您认为未来的研究方向会是什么？

我的研究逐步发展为基于结构不稳定的超材料，这些材料可以通过几何相变在稳定状态之间实现大的、可逆的形变。最初，我关注的是在单轴和多轴拉伸、压缩以及剪切作用下能够发生这种变形的模块化单元格。在这项最新的研究中，我们将这类材料的应用范围扩展到了以弯曲为主的载荷情况，开发了一种通过三维曲壳的反对称弯曲来实现稳定状态转变的模块化单元格。

展望未来，我想了解这些模块化单元如何能够作为更大的二维和三维结构的基本构建块。特别是，我想探索如何组合不同的单元格，从而使局部变换共同产生结构整体的可控形状和机械响应变化。这项工作中展示的局部切换产生平面和空间配置的效果，是朝这个方向迈出的第一步。

MH：您目前对自己工作中的哪个方面最为兴奋？

我发现特别令人兴奋的一点是，可以用相对简单、易于解释的物理模型来描述看似复杂的机械行为。在这项工作中，我和我的学生以及Dominic Vella博士合作，开发了一个分析模型，该模型基于对弯曲、扭转以及相邻条带之间相互作用的简单描述，却能够捕捉到模拟和实验中观察到的主要现象。我认为这个过程非常有趣：从一个简化的模型和合理的假设出发，确定基本的物理原理，然后看看预测与实验结果的吻合程度。即使预测与实验有差异，也往往能为我们提供有价值的线索，帮助我们改进模型。

MH：您认为在这个研究领域，最需要提出或回答哪些重要问题？

我认为一个特别重要的问题是，当我们从单个单元格扩展到大量相互作用的单元格时，不稳定性是如何发展的。我们已经了解到很多关于如何设计表现出屈曲、断裂和多稳态的单个构建块的知识，但当许多这样的元素连接在一起时，它们的集体响应不再仅仅是各个行为的总和。因此，一个重要的方向是了解相邻单元格之间的机械相互作用、局部不稳定性如何传播或相互影响，以及最终控制集体不稳定性的机制是什么。回答这些问题将使我们能够更自由地定制单个超材料单元，从而在组装后编程更大的结构系统的行为，并可能获得更广泛的机械性能和功能。

MH：您觉得自己的研究中最有挑战性的方面是什么？

EZ：研究中最具挑战性的部分之一是确定一个好的科学问题，并提出一个清晰、可检验且可能被证伪的假设。通常有很多有趣的观察结果和可能的 research 方向，但确定哪个问题能够触及根本的物理机制，然后设计出合适的理论、计算和实验组合来验证这个假设，这可能很困难。同时，我也认为这也是研究中最令人满足的部分之一。

MH：我们的读者可以在哪些即将举行的会议或活动中见到您？

EZ：我经常参加工程科学学会的年度技术会议和美国土木工程师协会的工程力学研究所会议。我总是很喜欢与研究人员交流并了解他们的研究。听到其他人如何处理不同的科学问题，往往能让我对自己的研究有新的启发。

MH：您如何度过闲暇时间？

EZ：我喜欢阅读小说，也喜欢和我的两只猫待在一起。这能让我从工作中有效地放松。

MH：您能给其他早期职业科学家提供一条职业建议或智慧吗？

EZ：在我早期职业生涯中，我发现一个很有价值的事情是探索相似的物理原理如何应用于非常不同的领域。我的研究涵盖了从医疗设备、海岸工程到弹性基础设施和月球建筑等多个领域。尽管这些领域的要求各不相同，但它们都与我对几何形状和拓扑如何控制机械响应的兴趣密切相关，而这些原理可以被用来实现诸如可控形变、稳定性、可部署性和能量吸收等功能。

也许我的建议是保持对基本机制或设计原理可能适用范围的探索兴趣，即使它们最初是在特定问题中被发现的。进入一个新的领域需要学习其具体的限制和术语，这可能会有一定难度，但我发现这个过程往往有助于完善基本的科学问题，并为研究指明新的方向。

? 2026 作者。由皇家化学会出版

2026

作者

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