近日，美國西北大學約翰?羅杰斯(John A. Rogers)課題組、清華大學張一慧課題組與美國西北大學黃永剛課題組合作，在美國國家科學院院刊(PNAS)最新一期以長文形式發(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(twisting) 來實現(xiàn)可重構(morphable)三維微結構的新方法，利用有剪紙(kirigami)設計的彈性組裝平臺來實現(xiàn)局部可控的扭轉變形，突破了過去力學引導三維結構組裝中的一個瓶頸。這種突破性的方法能實現(xiàn)具有局部手性(chiral)的可重構三維微結構，并且適用于多種功能材料和特征尺度。這種技術為實現(xiàn)具有手性的復雜三維微觀結構以及可逆變形提供了全新的途徑，對可調控的機械和光學手性超材料以及可調控的三維電子器件具有重要的科學意義和應用價值。

圖1: 利用在有剪切圖形的彈性基底上的屈曲和扭轉實現(xiàn)可重構三維微結構。(A) 三維結構成型的流程有限元模擬示意圖; (B) 與模擬相對應的實驗結果。

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

圖2: 左圖：帶有剪切圖形的彈性基底在拉伸過程中的旋轉變形動態(tài)示意圖（顏色代表旋轉角度）；右圖：從二維圖形通過屈曲和扭轉兩個階段變形為三維微結構的動態(tài)示意圖。

利用這種方法，通過結構設計和數(shù)值模擬，實現(xiàn)了二十多組不同結構構型的實驗驗證。其中包括因為局部扭轉而具有手性的風車結構，因為局部折疊而形成的可開閉的盒子和楔形陣列，以及更加復雜的折疊/旋轉變形結構（圖3展示了部分結構）。該方法適用于包括金屬、半導體、聚合物等在內的各種功能材料，并且應用于從微納米級到厘米甚至米級別的多種特征尺度。

圖3: 各種利用屈曲和扭轉從二維圖形設計實現(xiàn)的可重構三維微結構。(A-B) 通過屈曲和扭轉實現(xiàn)的具有手性和可局部折疊的三維結構; (C) 局部可折疊的三維結構陣列; (D) 在具有多層剪切圖形設計的彈性基底上實現(xiàn)的復雜局部可折疊結構 。

該方法還能與彈性組裝平臺的變形路徑控制策略相結合，實現(xiàn)更為復雜的三維結構的實現(xiàn)，以及不同三維構型之間的可逆轉換。同一種二維前驅物的設計可以通過屈曲的變形路徑控制實現(xiàn)兩種截然不同的三維構型，同時每種構型又可以通過基底的旋轉實現(xiàn)局部的扭轉變形。圖4展示了幾種二維結構設計以及相應的多種三維結構。

圖4: 利用有剪切圖形的彈性組裝平臺的變形路徑控制實現(xiàn)三維細微結構幾何拓撲的可逆調控。

該工作是力學與材料科學和微加工工藝的有機結合。通過屈曲和扭轉實現(xiàn)的有手性的三維可重構結構在可調控電子和光學器件、新型超材料以及新型機器人領域都有極大的價值。該文展示了通過這種方法制備的多層三維手性微結構在太赫茲頻率范圍內對于偏振光具有可調控的吸收。這種特性在光電子領域具有巨大的潛在應用。

上述研究成果以《通過屈曲和扭轉實現(xiàn)先進材料的可重構三維微結構》為題發(fā)表于著名學術期刊《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of USA)。美國西北大學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，美國西北大學John A. Rogers教授、清華大學張一慧副教授與美國西北大學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中佛羅里達大學的Debashis Chanda副教授和美國阿貢國家實驗室的Richard D. Schaller教授等。