近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)國家級重點(diǎn)實驗室張一慧課題組提出一種拉伸屈曲驅(qū)動的三維網(wǎng)狀材料組裝方法，為三維網(wǎng)狀材料與高性能電子器件的集成提供了創(chuàng)新性解決方案。

生物組織如血管、皮膚等，常由波浪狀膠原纖維交織而成。受此啟發(fā)研發(fā)的人工網(wǎng)狀材料具有仿生力學(xué)性能（如高可拉伸性、非線性力學(xué)特性等），因而在組織支架、柔性電子等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。相比二維網(wǎng)狀材料，三維網(wǎng)狀材料力學(xué)設(shè)計自由度更高、各向異性性能更優(yōu)，但將單晶硅等高性能無機(jī)電子材料集成到三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中面臨工藝限制，模板法、3D打印等方法均難以實現(xiàn)，制約了三維網(wǎng)狀電子器件發(fā)展。

為此，張一慧課題組提出一種拉伸屈曲驅(qū)動的三維組裝方法，該方法適用材料廣泛，可兼容單晶硅等高性能無機(jī)電子材料，為三維網(wǎng)狀材料與高性能電子器件集成提供了創(chuàng)新性解決方案（圖1）。

圖1.拉伸屈曲驅(qū)動的三維網(wǎng)狀材料組裝方法。A圖為組裝方法示意；B圖為組裝制造的三維網(wǎng)狀材料光學(xué)照片（比例尺1mm）；C圖為拉伸屈曲組裝過程（比例尺2mm）

在該方法中，平面多層結(jié)構(gòu)設(shè)計是一大關(guān)鍵挑戰(zhàn)。其幾何構(gòu)型直接決定其在拉伸驅(qū)動下的面外變形能力，進(jìn)而影響三維結(jié)構(gòu)的組裝效率。然而，結(jié)構(gòu)設(shè)計與面外變形間存在強(qiáng)非線性關(guān)系，傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化方法難以應(yīng)對。為此，課題組提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的拓?fù)鋬?yōu)化方法，優(yōu)化了平面多層結(jié)構(gòu)的面外變形能力，顯著提升了組裝效率。

該方法制造的三維網(wǎng)狀材料具有高度可調(diào)的仿生力學(xué)性能，能夠模擬豬胸主動脈等生物組織的拉伸特性（圖2A）。課題組還基于該方法開發(fā)了體三維顯示器件，該器件可動態(tài)顯示三維圖案，并能通過改變構(gòu)型調(diào)整顯示空間分辨率，實現(xiàn)圖案的重構(gòu)（圖2B）。

圖2.A圖為三維網(wǎng)狀材料的仿生力學(xué)性能（比例尺5mm）；B圖為拉伸屈曲組裝方法制造的體三維顯示器件（比例尺1cm）

研究成果以“基于拉伸屈曲的三維網(wǎng)狀材料與電子器件組裝方法”（Rational assembly of 3D network materials and electronics through tensile buckling）為題，于9月10日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）。

清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)國家級重點(diǎn)實驗室教授張一慧為論文通訊作者。清華大學(xué)航天航空學(xué)院2021級博士生胡笑男為論文第一作者。其他作者包括清華大學(xué)航天航空學(xué)院2018級博士生劉志、2023級博士生唐振家、2020級博士生徐世威、2019級博士生沈張明、2023級博士生羊佑舟，航天航空學(xué)院博士后肖越、王書恒、龐文博，以及清華大學(xué)柔性電子技術(shù)國家級重點(diǎn)實驗室副研究員柏韌恒。研究得到清華大學(xué)自主科研計劃、北京市自然科學(xué)基金項目、新基石科學(xué)基金會科學(xué)探索獎等的資助。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz0718