[논문 리뷰] Bubbles enable volumetric negative compressibility in metastable elastocapillary systems

Davide Caprini, F. Battista외 12명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 11.

Electrospun Nanofibers in Biomedical ApplicationsMaterials Science참고 문헌 52인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 표면장력력을 이용해 탄성 재료를 사전에 압축하고 수소화성 공동에 유동성 있는 액체의 가역적 침입을 통해 변형을 해제함으로써 거대한 체적 음압축성을 달성하는 비정상 상태 탄성표면장력 시스템(MES)을 제안한다. 이 방법은 밀리미터 크기의 메타물질에서 기록적인 음압축성(−10⁷ TPa⁻¹ 이상)을 실현하였으며, 이는 이전의 시스템들보다 수개의 주기로 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

Although coveted in applications, few materials expand when subject to compression or contract under decompression, i.e., exhibit the negative compressibility phenomenon. A key step to achieve such counterintuitive behaviour is the destabilisations of (meta)stable equilibria of the constituents. Here, we propose a simple strategy to obtain negative compressibility exploiting capillary forces both to precompress the elastic material and to release such precompression by a threshold phenomenon -- the reversible formation of a bubble in a lyophobic flexible cavity. We demonstrate that the solid part of such metastable elastocapillary systems displays negative compressibility across different scales: hydrophobic microporous materials, proteins, and millimetre-sized laminae. This concept is applicable to fields such as porous materials, biomolecules, sensors and may be easily extended to create unexpected material susceptibilities.

연구 동기 및 목표

• 표면장력 사전압축과 가역적 상전이를 이용하여 다양한 재료에서 음압축성을 달성하는 일반적이고 다스케일 플랫폼을 개발하기 위해.
• 평형 시스템에서 체적 음압축성의 열역학적 한계를 극복하기 위해 비정상 상태를 활용함으로써.
• 표면장력력이 나노미터 수준의 미세구조에서부터 거시적 체계에 이르기까지 큰 가역적 기계적 반응을 유도할 수 있음을 입증하기 위해.
• 금속 유기 프레임워크에서 생물학적 이온 채널에 이르기까지 다양한 체계에서 음압축성의 물리적 메커니즘을 통합하기 위해.
• 기술적 응용을 위해 기록적인 음압축성을 보이는 밀리미터 크기의 메타물질을 설계하고 검증하기 위해.

제안 방법

• 표면장력력이 탄성 매트릭스를 사전에 압축시키는 비정상 상태 탄성표면장력 시스템을 형성하기 위해 수소화성이고 유연한 다공성 재료(예: ZIF-67)를 활용한다.
• 외부 압력 하에서 수소화성 공동에 유입 및 배출이 가능한 가역적 1차 상전이를 설계함으로써 축적된 탄성 에너지를 방출한다.
• 정압을 가하여 임계값 유사 전이를 유도하며, 이는 표면장력에 의해 유도된 구조적 회복으로 인해 외부 압축에 대해 팽창하는 현상이다.
• X선 및 중성자 회절 기법을 사용하여 압축률의 압력에 대한 도함수로 정의된 음압축성 βₗ = (1/a₀)(da/dp)를 측정한다.
• 특수하게 설계된 수소화성 및 다공성 특성을 가진 밀리미터 크기의 MES(milliMES)를 설계하여 음압축성 반응을 최대화한다.
• 미국 고에너지 물리학연구소(Advanced Photon Source)와 국립표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology)에서의 현장 캐릭터라이제이션을 통해 수십 차례의 사이클에서의 복귀성과 기계적 안정성을 검증한다.

Figure 1: Negative Compressibility. ( A ) Sketch of the negative compressibility behaviour of Metastable Elastocapillary Systems (MESs) under hydrostatic pressure and ( B ) summary of the cross-scale and cross-domain concept of MES leading to systems with giant negative compressibility. See also Mov

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정상 상태 탄성표면장력 시스템에서 표면장력력이 다양한 체계의 길이 척도에서 음압축성을 유도할 수 있는가?
• RQ2 기계적으로 가역적이고 순수한 물리적 시스템에서 달성 가능한 최대 음압축성은 얼마인가?
• RQ3 표면장력 사전압축과 가역적 액체 침입의 상호작용이 압축에 대해 반직관적인 팽창을 유도하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 MES 메커니즘은 나노미터 수준의 MOFs에서부터 생물학적 이온 채널에 이르기까지 다양한 재료에 일반화될 수 있는가?
• RQ5 MES 플랫폼는 압력, 온도 또는 농도에 대한 임계 스위치 또는 센서로 기능하도록 설계될 수 있는가?

주요 결과

• ZIF-67에서 5 °C 조건에서 MES 플랫폼는 내부 압력 기준 −286 TPa⁻¹, 외부 압력 기준 −269 TPa⁻¹의 기록적인 음압축성을 달성하였으며, 이는 이전 기록보다 1000배 이상 뛰어나다.
• 밀리미터 크기의 MES(milliMES)는 −10⁷ TPa⁻¹의 음압축성과 18%의 상대 변형률을 나타내어 기계적 성능 기준 새로운 기록을 수립하였다.
• 이 메커니즘은 ZIF-67의 나노미터 수준의 다공성에서부터 MscL 및 BK 이온 채널에 이르기까지 6개 이상의 길이 척도에서 작동하며, 보편적인 현상학을 보여준다.
• 모든 체계에서 침입/배출 전이의 복귀성이 확인되었으며, 나노미터 수준에서는 수증기 핵형성, 밀리미터 수준에서는气체 기포의 융합 메커니즘이 각각 관찰되었다.
• ZIF-67에서는 수증기 핵형성이 용이하여 날카운 NC 반응를 보였고, 수소화성 박편에서는 더 점진적인 전이를 보여 응용에 따라 조절 가능한 반응을 가능하게 하였다.
• MES 메커니즘은 압력 센서이자 임계 스위치로 작용할 수 있는 다기능성 재료의 설계를 가능하게 하였으며, 생물의학 기기 및 적응형 재료에의 응용 잠재력이 있다.

Figure 2: Model of a metastable elastocapillary system exhibiting negative compressibility. ( A ) Sketch of a thought intrusion and extrusion experiment in which (a) two plates kept together by a spring of constant $k$ are immersed in water (b), then the pressure is progressively increased (c) until