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(zhuǎn)(twisting) 來實現(xiàn)可重構(gòu)(morphable)三維微結(jié)構(gòu)的新方法，利用有剪紙(kirigami)設計的彈性組裝平臺來實現(xiàn)局部可控的扭轉(zhuǎn)變形，突破了過去力學引導三維結(jié)構(gòu)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(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)為實現(xiàn)具有手性的復雜三維微觀結(jié)構(gòu)以及可逆變形提供了全新的途徑，對可調(diào)控的機械和光學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(zhuǎn)實現(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) 與模擬相對應的實驗結(jié)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(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，彈性組裝平臺在拉伸過程中旋轉(zhuǎn)單元能實現(xiàn)可控的旋轉(zhuǎn)。因此在把二維前驅(qū)物定點結(jié)合在可旋轉(zhuǎn)單元上之后，能實現(xiàn)兩個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)兩個階段變形為三維微結(jié)構(gòu)的動態(tài)示意圖。

利用這種方法，通過結(jié)構(gòu)設計和數(shù)值模擬，實現(xiàn)了二十多組不同結(jié)構(gòu)構(gòu)型的實驗驗證。其中包括因為局部扭轉(zhuǎn)而具有手性的風車結(jié)構(gòu)，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(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、半導體、聚合物等在內(nèi)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(zhuǎn)從二維圖形設計實現(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計的彈性基底上實現(xiàn)的復雜局部可折疊結(jié)構(gòu) 。

該方法還能與彈性組裝平臺的變形路徑控制策略相結(jié)合，實現(xiàn)更為復雜的三維結(jié)構(gòu)的實現(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(gòu)型，同時每種構(gòu)型又可以通過基底的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)局部的扭轉(zhuǎn)變形。圖4展示了幾種二維結(jié)構(gòu)設計以及相應的多種三維結(jié)構(gòu)。

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

該工作是力學與材料科學和微加工工藝的有機結(jié)合。通過屈曲和扭轉(zhuǎn)實現(xiàn)的有手性的三維可重構(gòu)結(jié)構(gòu)在可調(diào)控電子和光學器件、新型超材料以及新型機器人領(lǐng)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(jié)構(gòu)在太赫茲頻率范圍內(nèi)對于偏振光具有可調(diào)控的吸收。這種特性在光電子領(lǐng)域具有巨大的潛在應用。

上述研究成果以《通過屈曲和扭轉(zhuǎn)實現(xiàn)先進材料的可重構(gòu)三維微結(jié)構(gòu)》為題發(fā)表于著名學術(shù)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。