具有强高手性光学响应的柔性编织手性超材料

《Optics & Laser Technology》：Flexible woven chiral metamaterials with robust high chiroptical response

　　

摘要

传统的手性超材料主要以刚性结构为基础，而能够在整体弯曲变形下仍保持手性光学特性的柔性手性超材料则相对较少被研究。本文介绍了一种受传统伊斯兰编织图案启发的柔性编织手性超材料。通过交织带状结构并结合选择性铜金属化处理，可自然形成三维手性几何结构，同时还能适应弯曲形状。数值模拟和微波实验结果显示出了明显的圆二色性。此外，在高达60°的弯曲角度下，其手性光学特性依然清晰可见，这证明了该编织结构能够在几何变形下保持其手性光学特性。这一设计凸显了编织拓扑在柔性手性超材料中的潜力，有望为共形极化控制及微波应用提供有用平台。

引言

手性决定了电磁波与物质之间的非对称相互作用，从而导致对左旋和右旋圆偏振波的不同响应，进而产生圆二色性[1]。尽管手性在自然系统中普遍存在，但天然手性材料的电磁响应通常较弱，且结构可调性有限，尤其是在微波频段[2]、[3]、[4]。手性超材料则提供了一种通过合理结构设计而非材料固有属性来增强手性电磁响应的有效途径[5]。在微波频段，手性超材料因其低损耗、可大规模制造以及强烈的几何依赖型电磁响应而备受关注[6]、[7]、[8]，这些特性使其能够用于无线通信[9]、[10]、传感[11]、[12]以及电磁器件[13]、[14]领域的极化操控和不对称波控制。

然而，现有的大多数手性超材料都依赖于刚性、平面或多层结构，这类结构在机械灵活性、共形性以及变形耐受力方面存在固有限制[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。这类结构在应用于弯曲或动态变化的表面时，性能往往会有所下降。柔性手性超材料则为解决这些难题提供了有效策略[21]、[22]、[23]、[24]。通过采用编织和绞合结构，可以通过交错几何形状内在地实现三维手性，而不需要依靠多层对齐或后续组装。这类结构能够在保持机械柔顺性的同时打破镜像对称性，从而在适度变形下仍能表现出手性光学特性。

受传统伊斯兰编织图案的启发，本研究提出了一种由交错导电带构成的编织手性超材料。这种编织拓扑结构能够自然形成三维手性构型，同时具备适应弯曲表面的几何柔顺性。与许多依赖折叠、拉伸或刚性重新组装机制的可重构手性超材料不同，所提出的编织结构无需进行结构重构，即可在整体弯曲变形下保持其手性光学功能。本研究的目的是探讨此类编织结构在弯曲变形下的电磁响应，并评估其作为柔性微波手性超材料平台的潜力。

这种结构具有两个关键特点。首先，编织拓扑结构提供了结构连续性，有助于维持整体构型，并支撑可测量的手性电磁响应。其次，交织带状的柔韧性使其能够适应弯曲表面，而不会显著破坏原有的三维手性排列。

章节节选

柔性编织超材料的设计与制备

受传统伊斯兰编织图案的交错几何结构及破镜像对称特性的启发（图1A），我们设计了一种由周期性排列的三维结构单元构成的编织手性超材料。该设计源于连续带状结构的重复上下交错，从而形成具有非平凡拓扑的空间连接结构。通过在相邻编织元素之间引入可控的垂直于平面的位移和旋转偏移，

圆二色性性能的验证

为了严格验证圆二色性性能，我们通过熔融沉积建模技术制备了样品（图S7），随后通过系统性的实验测量对其进行了表征。实验表征是使用与矢量网络分析仪相结合的微波宽带喇叭天线进行的，如图7A所示。在正常入射条件下，实验结果（图7B）与仿真预测结果高度吻合。在

结论

总之，我们提出并通过实验验证了一种基于交错带状结构的柔性编织手性超材料。这种编织拓扑结构能够自然形成三维手性几何形态，同时保持结构柔韧性。数值模拟和微波实验均显示出明显的圆二色性响应，理论结果与实验结果高度一致。此外，该结构在较大

实验部分

数值模拟：电磁模拟是使用CST Studio Suite的频域求解器进行的。单元格的几何模型及相应的优化参数如图2所示。a = 4.7毫米，b = 2.1毫米，c = 7.4毫米，d = 130°，e = 140°，L = 0毫米，Px = 36.7毫米，Py = 21.2毫米。TPU带的厚度为1.9毫米，铜涂层的厚度为0.2毫米。我们建立了笛卡尔坐标系，将超材料置于x-y平面内，

CRediT作者贡献说明

余颖颖：撰写——初稿，资源获取，研究实施，数据整理。孙博：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，资金申请，概念构思。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：62005025）以及“中国高校学科创新引智计划”（项目编号：2022BC136）的支持。

余颖颖|孙博