今日Nature: 如何靠经典概念登顶刊封面? 中美联手实现可重构细微结构及器件

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导 读

屈曲，也就是Buckling，是几乎每一个工程学生必修的经典概念，其历史可以追溯到300多年前的Hooke， Bernoulli， 特别是Euler 这些先贤。对于没有修过材料力学的人而言，玩捏挤压易拉罐，用力过大的话也可以很容易得到屈曲的感性认识。今天，中美学者就凭借这样一个古老的经典概念，登上Nature Materials 封面。请看知社深度报道及特约专家点评。

可重构三维结构在生医器件、微机电系统、机器人和超材料等众多领域具有广泛应用，对科学研究和技术进步起到了关键的推动作用。然而，现有的可重构三维结构的成形技术较为局限，在结构尺度和材料类型这两个关键问题上仍无法兼顾，主要体现在无法适用于微纳米尺度或高性能电子材料。这在很大程度上限制了可重构三维微电子器件的发展。

近日，清华大学航天航空学院张一慧课题组和美国西北大学约翰•罗杰斯（John A. Rogers）、黄永刚课题组合作在Nature Materials期刊以长文形式发表了题为Morphable 3D mesostructures and microelectronic devicesby multistable buckling mechanics的研究论文，并被选为今天上线的Nature Materials 2018年第三期的封面文章。该成果原创性地提出了实现可重构三维细微观结构的非线性屈曲力学新方法，利用弹性组装平台的变形路径对三维细微观结构几何拓扑进行可逆调控；该方法不但能应用于多种特征尺度，而且与现代化微电子制备工艺相兼容，适用于导体、半导体、绝缘体等各种材料类型甚至集成电路系统的构建。该技术为实现三维细微观结构的可逆变形提供了一条新途径，对可重构三维微电子器件的制备具有重要的科学意义与应用价值。

在这一工作中，张一慧课题组基于非线性屈曲力学，通过释放预拉伸的弹性组装平台产生的压缩力将平台上的二维薄膜图案变形成目标三维结构，并利用结构的多稳态屈曲，改变平台释放的路径，实现三维结构在不同构型之间的可逆切换。

图1：三维细微观结构在“章鱼”与“蜘蛛”构型之间的可逆重构过程。图案化的二维结构经历双向同时压缩，变形为左侧的“章鱼”型结构；经历分布压缩，则变形为右侧的“蜘蛛”型结构。

该研究团队阐述了多稳态屈曲力学方法的设计概念，并针对两类典型结构（带折痕条带结构和无折痕条带结构），通过数值模拟的能量分析和细微观实验的概率分析，挖掘了双稳态结构可重构的力学机理，进而建立了一套系统的迭代式可重构结构设计流程，并通过二十多组不同结构构型的实验对这一重构策略的可行性进行了验证。

图2：六种代表性的可重构三维细微观结构的模拟和实验结果。构型I对应基底双向同时卸载时得到的组装结果，构型II对应基底分布卸载时得到的组装结果。前四个结构的比例尺表示400微米，其余表示4毫米。

图3：三种代表性的可识别结构的模拟和实验结果。构型I对应基底双向同时卸载时得到的组装结果，构型II对应基底分布卸载时得到的组装结果。第一个和第三个结构的比例尺表示400微米，第二个结构的比例尺表示4毫米。

在此基础上，该研究团队通过对原有的可重构结构设计流程进行改进，在双稳态结构中引入额外的折痕或条带，实现了三维结构在多个（≥3）稳定构型之间的可逆切换，并得到了多组实验验证。

图4：多稳态细微观结构的重构过程。图中的比例尺表示400微米。

该方法与现代化微电子制备工艺间具有很好的兼容性。通过该方法制备的有源器件，如可重构LED器件，利用微结构重构，不但能实现LED空间位置的重新分布，还能实现电路的变化，控制不同LED的开闭。根据该方法成形的无源器件，如可隐身微型天线，具有极大的通讯频率范围（6 GHz~30 GHz），并且可以实现工作和隐蔽两种模式：在工作模式下，天线可以与外界进行通讯；而在隐蔽模式下，天线由于电磁屏蔽效应，其通讯效率大大降低，因而很难被外界探测到。

图5：（a）可重构LED器件和（b）可隐身的微型间谍天线的光学实验图片和力学预测结果。图中的比例尺表示5毫米。

在接受知社采访时，美国亚利桑那州立大学姜汉卿教授对这一工作大加赞赏：自从2015年黄永刚教授，张一慧教授，和Rogers教授合作开创了利用力学失稳以及折纸和剪纸的思路制备三维微观结构以来，大量复杂的三维结构可以用精确美妙的力学分析来预测，并且通过实验来验证。经典的板壳屈曲问题在黄永刚教授和张一慧教授手中获得了新生。这是力学的成功，更是力学与材料科学和微加工工艺结合的成功。这为经典力学在今天的应用提供了一个完美的样本。我们可以展望，这样一个应用多稳态屈曲的平台，当和智能材料，3D打印，细胞组织结合后，会绽放出更美妙的应用。我们拭目以待.

清华大学航天航空学院张一慧副教授、美国西北大学约翰·罗杰斯教授和黄永刚教授为本文的共同通讯作者。清华大学航天航空学院博士后付浩然和美国伊利诺伊大学博士生南科望为本文的第一作者。参与该工作的还有北京理工大学方岱宁教授、美国伊利诺伊大学李秀玲教授、美国密苏里大学闫政助理教授等。该研究成果得到了国家自然科学基金项目、中组部青年千人计划、科技部973计划等项目的资助。张一慧博士曾入选知社举办的2016中国新锐科技人物。

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