通过屈曲和扭转实现可重构三维微结构

近日，美国西北大学约翰•罗杰斯(John A. Rogers)课题组、清华大学张一慧课题组与美国西北大学黄永刚课题组合作，在美国国家科学院院刊(PNAS)最新一期以长文形式发表了题为“Buckling and twisting of advanced materials into morphable 3D mesostructures”的研究论文。

该成果原创性地提出通过屈曲(buckling)和扭转(twisting) 来实现可重构(morphable)三维微结构的新方法，利用有剪纸(kirigami)设计的弹性组装平台来实现局部可控的扭转变形，突破了过去力学引导三维结构组装中的一个瓶颈。这种突破性的方法能实现具有局部手性(chiral)的可重构三维微结构，并且适用于多种功能材料和特征尺度。这种技术为实现具有手性的复杂三维微观结构以及可逆变形提供了全新的途径，对可调控的机械和光学手性超材料以及可调控的三维电子器件具有重要的科学意义和应用价值。

图1: 利用在有剪切图形的弹性基底上的屈曲和扭转实现可重构三维微结构。(A) 三维结构成型的流程有限元模拟示意图; (B) 与模拟相对应的实验结果。

过去数年间该课题组合作提出了多种利用力学失稳以及折纸和剪纸的思路在来制备复杂的、其他方式难以实现的各种三维微观结构，但现有的制备方法存在限制：在二维薄膜图形力学失稳到三维结构的形状转化过程中，弹性基底只有平移位移，而没有旋转位移。这限制了可实现的三维结构种类，比如局部具有旋转手性的结构，以及局部可控的折叠形状。在该研究中，受剪纸艺术启发， 通过剪切图形将弹性基底切割成相互连接的可旋转单元，弹性组装平台在拉伸过程中旋转单元能实现可控的旋转。因此在把二维前驱物定点结合在可旋转单元上之后，能实现两个阶段的二维到三维构型转变：首先通过屈曲将二维前驱物转化成三维结构， 其次通过基底单元的局部可控旋转变形实现三维结构的扭转。图1 和图2展示了三维屈曲和扭转的机理。

图2: 左图：带有剪切图形的弹性基底在拉伸过程中的旋转变形动态示意图（颜色代表旋转角度）；右图：从二维图形通过屈曲和扭转两个阶段变形为三维微结构的动态示意图。

利用这种方法，通过结构设计和数值模拟，实现了二十多组不同结构构型的实验验证。其中包括因为局部扭转而具有手性的风车结构，因为局部折叠而形成的可开闭的盒子和楔形阵列，以及更加复杂的折叠/旋转变形结构（图3展示了部分结构）。该方法适用于包括金属、半导体、聚合物等在内的各种功能材料，并且应用于从微纳米级到厘米甚至米级别的多种特征尺度。

图3: 各种利用屈曲和扭转从二维图形设计实现的可重构三维微结构。(A-B) 通过屈曲和扭转实现的具有手性和可局部折叠的三维结构; (C) 局部可折叠的三维结构阵列; (D) 在具有多层剪切图形设计的弹性基底上实现的复杂局部可折叠结构 。

该方法还能与弹性组装平台的变形路径控制策略相结合，实现更为复杂的三维结构的实现，以及不同三维构型之间的可逆转换。同一种二维前驱物的设计可以通过屈曲的变形路径控制实现两种截然不同的三维构型，同时每种构型又可以通过基底的旋转实现局部的扭转变形。图4展示了几种二维结构设计以及相应的多种三维结构。

图4: 利用有剪切图形的弹性组装平台的变形路径控制实现三维细微结构几何拓扑的可逆调控。

该工作是力学与材料科学和微加工工艺的有机结合。通过屈曲和扭转实现的有手性的三维可重构结构在可调控电子和光学器件、新型超材料以及新型机器人领域都有极大的价值。该文展示了通过这种方法制备的多层三维手性微结构在太赫兹频率范围内对于偏振光具有可调控的吸收。这种特性在光电子领域具有巨大的潜在应用。

上述研究成果以《通过屈曲和扭转实现先进材料的可重构三维微结构》为题发表于著名学术期刊《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of USA)。美国西北大学John A. Rogers组博士后赵航波和黄永刚组博士生厉侃为论文的共同第一作者，美国西北大学John A. Rogers教授、清华大学张一慧副教授与美国西北大学黄永刚教授为本文的共同通讯作者。参与该工作的还有美国中佛罗里达大学的Debashis Chanda副教授和美国阿贡国家实验室的Richard D. Schaller教授等。