新加坡科技设计大学Joel Yang 教授团队《Nano Lett.》：用于高分辨率可重构纳米光学的高刚度形状记忆聚合物

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可重构结构广泛应用于生物工程、软体机器人和柔性电子等领域。在宏观尺度，不同构型之间的转变可在热、湿度、光、电磁场等外界激励下完成。将这类可重构结构扩展到亚微米尺度，将使其在纳米光学、微型传感器、微纳机器人等领域的应用成为可能。在亚微米尺度，随着结构表面积体积比的增加，表面间的范德瓦尔斯力将阻碍不同构型之间的切换，因此，提高材料刚度将有效增强结构的回复性能。然而，传统的可重构材料，其橡胶态储存模量多在千帕到10兆帕范围以内。目前，能实现亚微米尺度可重构功能的高刚度高回复性能可重构材料依然缺乏。

 图1. 高刚度可重构纳米结构的设计，材料表征和制造

针对这一挑战，近期研究人员开发了一种高刚度形状记忆聚合物。他们将丙烯酸（acrylic acid），2-羟基-3-苯氧基丙基丙烯酸酯 （2-hydroxy-3-phenoxypropylacrylate）与二季戊四醇五/六丙烯酸酯(dipentaerythritol penta-/hexaacrylate)交联聚合，获得的形状记忆聚合物在橡胶态和玻璃态分别具有大于90兆帕和5.2千兆帕的存储模量。通过双光子3D打印，该材料可加工出高宽比达到10的纳米柱（图1）。通过理论计算与实验测试，他们实现了具有形状记忆效应的高刚度纳米柱在不同构型之间的切换，而传统的低刚度纳米柱因为范德瓦尔斯力的影响无法由接触构型回复至原始构型（图2）。他们通过这种高刚度纳米柱实现了21150 dpi分辨率的可重构结构色显示（图3）和高分辨率全息成像（图4），其独特性能也可应用于纳米光学领域的其他方向，例如动态可重构超表面、超透镜、可调结构光束等。作者相信该工作可促进不同领域可重构器件的进一步小型化，具有巨大的潜在应用价值。

图2. 高刚度和低刚度纳米柱的回复性能研究

图3. 高分辨率可重构结构色

图4. 高分辨率可重构全息成像

以上成果近期发表于美国化学学会（ACS）旗下期刊Nano Letters。文章第一作者为新加坡科技设计大学研究员张旺博士，通讯作者为新加坡科技设计大学高级研究员王浩博士和Joel Yang教授。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c03007

除此之外，Joel Yang教授课题组近年来在微纳制造及微纳光学领域取得了一系列研究成果，感兴趣的读者可前往课题组网站进一步了解交流。

课题组链接：

https://people.sutd.edu.sg/~joel_yang/

点击下方“阅读原文”可下载该篇论文。

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