通過屈曲和扭轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)三維微結(jié)構(gòu)

近日，美國(guó)西北大學(xué)約翰?羅杰斯(John A. Rogers)課題組、清華大學(xué)張一慧課題組與美國(guó)西北大學(xué)黃永剛課題組合作，在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊(PNAS)最新一期以長(zhǎng)文形式發(fā)表了題為“Buckling and twisting of advanced materials into morphable 3D mesostructures”的研究論文。

該成果原創(chuàng)性地提出通過屈曲(buckling)和扭轉(zhuǎn)(twisting) 來實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)(morphable)三維微結(jié)構(gòu)的新方法，利用有剪紙(kirigami)設(shè)計(jì)的彈性組裝平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)局部可控的扭轉(zhuǎn)變形，突破了過去力學(xué)引導(dǎo)三維結(jié)構(gòu)組裝中的一個(gè)瓶頸。這種突破性的方法能實(shí)現(xiàn)具有局部手性(chiral)的可重構(gòu)三維微結(jié)構(gòu)，并且適用于多種功能材料和特征尺度。這種技術(shù)為實(shí)現(xiàn)具有手性的復(fù)雜三維微觀結(jié)構(gòu)以及可逆變形提供了全新的途徑，對(duì)可調(diào)控的機(jī)械和光學(xué)手性超材料以及可調(diào)控的三維電子器件具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

圖1: 利用在有剪切圖形的彈性基底上的屈曲和扭轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)三維微結(jié)構(gòu)。(A) 三維結(jié)構(gòu)成型的流程有限元模擬示意圖; (B) 與模擬相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

過去數(shù)年間該課題組合作提出了多種利用力學(xué)失穩(wěn)以及折紙和剪紙的思路在來制備復(fù)雜的、其他方式難以實(shí)現(xiàn)的各種三維微觀結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)有的制備方法存在限制：在二維薄膜圖形力學(xué)失穩(wěn)到三維結(jié)構(gòu)的形狀轉(zhuǎn)化過程中，彈性基底只有平移位移，而沒有旋轉(zhuǎn)位移。這限制了可實(shí)現(xiàn)的三維結(jié)構(gòu)種類，比如局部具有旋轉(zhuǎn)手性的結(jié)構(gòu)，以及局部可控的折疊形狀。在該研究中，受剪紙藝術(shù)啟發(fā)， 通過剪切圖形將彈性基底切割成相互連接的可旋轉(zhuǎn)單元，彈性組裝平臺(tái)在拉伸過程中旋轉(zhuǎn)單元能實(shí)現(xiàn)可控的旋轉(zhuǎn)。因此在把二維前驅(qū)物定點(diǎn)結(jié)合在可旋轉(zhuǎn)單元上之后，能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)階段的二維到三維構(gòu)型轉(zhuǎn)變：首先通過屈曲將二維前驅(qū)物轉(zhuǎn)化成三維結(jié)構(gòu)， 其次通過基底單元的局部可控旋轉(zhuǎn)變形實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。圖1 和圖2展示了三維屈曲和扭轉(zhuǎn)的機(jī)理。

圖2: 左圖：帶有剪切圖形的彈性基底在拉伸過程中的旋轉(zhuǎn)變形動(dòng)態(tài)示意圖（顏色代表旋轉(zhuǎn)角度）；右圖：從二維圖形通過屈曲和扭轉(zhuǎn)兩個(gè)階段變形為三維微結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)示意圖。

利用這種方法，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了二十多組不同結(jié)構(gòu)構(gòu)型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其中包括因?yàn)榫植颗まD(zhuǎn)而具有手性的風(fēng)車結(jié)構(gòu)，因?yàn)榫植空郫B而形成的可開閉的盒子和楔形陣列，以及更加復(fù)雜的折疊/旋轉(zhuǎn)變形結(jié)構(gòu)（圖3展示了部分結(jié)構(gòu)）。該方法適用于包括金屬、半導(dǎo)體、聚合物等在內(nèi)的各種功能材料，并且應(yīng)用于從微納米級(jí)到厘米甚至米級(jí)別的多種特征尺度。

圖3: 各種利用屈曲和扭轉(zhuǎn)從二維圖形設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的可重構(gòu)三維微結(jié)構(gòu)。(A-B) 通過屈曲和扭轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的具有手性和可局部折疊的三維結(jié)構(gòu); (C) 局部可折疊的三維結(jié)構(gòu)陣列; (D) 在具有多層剪切圖形設(shè)計(jì)的彈性基底上實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜局部可折疊結(jié)構(gòu) 。

該方法還能與彈性組裝平臺(tái)的變形路徑控制策略相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，以及不同三維構(gòu)型之間的可逆轉(zhuǎn)換。同一種二維前驅(qū)物的設(shè)計(jì)可以通過屈曲的變形路徑控制實(shí)現(xiàn)兩種截然不同的三維構(gòu)型，同時(shí)每種構(gòu)型又可以通過基底的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)局部的扭轉(zhuǎn)變形。圖4展示了幾種二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的多種三維結(jié)構(gòu)。

圖4: 利用有剪切圖形的彈性組裝平臺(tái)的變形路徑控制實(shí)現(xiàn)三維細(xì)微結(jié)構(gòu)幾何拓?fù)涞目赡嬲{(diào)控。

該工作是力學(xué)與材料科學(xué)和微加工工藝的有機(jī)結(jié)合。通過屈曲和扭轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的有手性的三維可重構(gòu)結(jié)構(gòu)在可調(diào)控電子和光學(xué)器件、新型超材料以及新型機(jī)器人領(lǐng)域都有極大的價(jià)值。該文展示了通過這種方法制備的多層三維手性微結(jié)構(gòu)在太赫茲頻率范圍內(nèi)對(duì)于偏振光具有可調(diào)控的吸收。這種特性在光電子領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用。

上述研究成果以《通過屈曲和扭轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)材料的可重構(gòu)三維微結(jié)構(gòu)》為題發(fā)表于著名學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of USA)。美國(guó)西北大學(xué)John A. Rogers組博士后趙航波和黃永剛組博士生厲侃為論文的共同第一作者，美國(guó)西北大學(xué)John A. Rogers教授、清華大學(xué)張一慧副教授與美國(guó)西北大學(xué)黃永剛教授為本文的共同通訊作者。參與該工作的還有美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)的Debashis Chanda副教授和美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Richard D. Schaller教授等。