清華新聞網(wǎng)8月12日電 近日，航天航空學(xué)院張一慧教授課題組提出了一種在曲面上制造復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)和電子器件的新策略?；谠摬呗哉n題組在十余種不同曲面上成功制備了幾十種基于高性能材料的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，并研制出連續(xù)可調(diào)的偶極子天線(xiàn)，與心尖共形集成的高度可拉伸三維集成電子系統(tǒng)，以及附著于圓管內(nèi)表面的三維流體傳感器。
在摩擦力傳感、微型機(jī)器人可控運(yùn)動(dòng)、寬視場(chǎng)光學(xué)成像和流速測(cè)量等眾多領(lǐng)域，基于三維立體結(jié)構(gòu)的微電子和光電子器件具有不可或缺的作用。近年來(lái)，研究者利用可控卷曲、折疊和屈曲變形等三維組裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于高性能材料的三維結(jié)構(gòu)和器件的制造。然而，所得到的三維結(jié)構(gòu)主要是在平面基底上組裝成型的，無(wú)法直接轉(zhuǎn)移到另一個(gè)曲面上。目前，在任意曲面上組裝制造復(fù)雜三維電子器件仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。
課題組提出了一種力學(xué)引導(dǎo)的逐級(jí)三維組裝策略，使得平面薄膜或器件可以在眾多三維曲面上變形為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)或器件，包括規(guī)則曲面（如半球面、圓柱面、螺旋面和雙曲面）和仿生曲面（如纏繞的藤蔓、人臉、類(lèi)大腦、主動(dòng)脈和心臟等）。該策略首先利用力學(xué)加載將曲面彈性基底變形為平面或圓柱形結(jié)構(gòu)，以便于平面薄膜的轉(zhuǎn)印與集成，并通過(guò)進(jìn)一步的單軸/雙軸預(yù)拉伸來(lái)驅(qū)動(dòng)屈曲引導(dǎo)的三維組裝。將預(yù)先施加的載荷釋放，便會(huì)誘發(fā)逐級(jí)的三維組裝過(guò)程，并可通過(guò)定量的力學(xué)模型準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)整個(gè)過(guò)程。
曲面上復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的逐級(jí)組裝策略。A圖為在人臉曲面上組裝成型三維裝飾面具；B圖為在螺旋曲面上組裝三維葉子狀結(jié)構(gòu)；C圖為在圓柱面的內(nèi)表面組裝三維螺旋線(xiàn)結(jié)構(gòu)；D圖為在莫比烏斯環(huán)上組裝仿生螞蟻結(jié)構(gòu)。
課題組通過(guò)理論分析、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)該逐級(jí)組裝策略的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，在十余種不同曲面基底上設(shè)計(jì)制造了幾十種具有不同幾何構(gòu)型的三維結(jié)構(gòu)。基于這一逐級(jí)組裝策略，還研制出頻率連續(xù)可調(diào)的偶極子天線(xiàn)，與心尖共形集成的高度可拉伸三維集成電子系統(tǒng)，以及附著于管內(nèi)表面的三維流速傳感器。
A圖為在不同曲面上組裝的不同尺度不同材料的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)（從左到右的比例尺為100m、200m、5mm、5mm和10mm）；B圖為與心尖共形集成的高度可拉伸三維集成電子系統(tǒng); C圖為在管內(nèi)表面的三維流速傳感器；D圖為連續(xù)可調(diào)的偶極子天線(xiàn)
相關(guān)研究成果于8月10日在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）以“基于曲面的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)及電子器件組裝”（Assembly of complex 3D structures and electronics on curved surfaces）為題發(fā)表，并被選為當(dāng)期封面。
該研究成果被選為《科學(xué)·進(jìn)展》當(dāng)期封面
清華大學(xué)航院張一慧教授為文章的通訊作者。清華大學(xué)航院博士后薛兆國(guó)（現(xiàn)為北京航空航天大學(xué)副教授）、2019級(jí)博士生金天棨為文章的共同第一作者。清華大學(xué)航院2020級(jí)博士生徐世威、2017級(jí)博士生程旭、2019級(jí)博士生籍梓垚、2017級(jí)博士生龐文博、2019級(jí)博士生沈張明、2018級(jí)博士生帥雨萌，航院2014級(jí)本科生賀琪，以及航院博士后張帆、白柯、宋洪烈等參與了此項(xiàng)研究。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委（原創(chuàng)探索計(jì)劃項(xiàng)目、創(chuàng)新研究群體和青年科學(xué)基金）、霍英東青年教師基金、博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm6922
供稿：航院
題圖設(shè)計(jì)：曾儀
編輯：李華山
審核：郭玲 呂婷
