基于形狀記憶聚合物的機(jī)械誘導(dǎo)組裝、獨(dú)立

供稿人:賀佩 賀健康

控制先進(jìn)材料的復(fù)雜三維微/納米結(jié)構(gòu)的形成能力在廣泛的研究領(lǐng)域中具有重要意義。近期研究人員開(kāi)發(fā)了使用應(yīng)力釋放的預(yù)應(yīng)變彈性基板作為動(dòng)力組裝三維結(jié)構(gòu)和功能微器件的二維前驅(qū)體的新方法。該方法的局限性在于，由于組成材料的彈性恢復(fù)，將這些結(jié)構(gòu)從襯底中釋放出來(lái)時(shí)會(huì)使其恢復(fù)到原有的2D布局。為了解決這個(gè)問(wèn)題，美國(guó)西北大學(xué)的John A. Rogers教授等研究人員提出了一種新方法，他們采用形狀記憶聚合物，利用相似的方法實(shí)現(xiàn)制作了獨(dú)立3D體系結(jié)構(gòu)，制造了特征尺寸小到500、10和5μm的器件，這個(gè)方法具有朝更大或更小的尺寸器件發(fā)展的潛力。該研究制備的無(wú)線電子設(shè)備展示了將功能組件集成到SMP的3D構(gòu)架中的能力。定量力學(xué)建模和實(shí)驗(yàn)測(cè)量證明該結(jié)構(gòu)可以控制形狀固定、允許結(jié)構(gòu)恢復(fù)具有形狀可編程的能力。

制作這種功能器件是通過(guò)壓縮屈曲的方法實(shí)現(xiàn)的，這些器件具有多種配置和廣泛的材料組成，包括跨越納米到厘米長(zhǎng)度尺度的關(guān)鍵尺寸。該研究利用形狀記憶聚合物的形狀記憶效應(yīng)：1) 利用彈性壓縮屈曲構(gòu)造獨(dú)立的3D細(xì)觀結(jié)構(gòu)2）賦予構(gòu)件從嚴(yán)重變形恢復(fù)的能力和3）可編程的改變結(jié)構(gòu)的形狀。

圖一 由機(jī)械導(dǎo)向組裝而成的三維形狀記憶聚合物細(xì)觀結(jié)構(gòu)。a) 通過(guò)光刻和壓縮屈曲制作三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)的工藝示意圖。b) 各種SMP三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)圖像及有限元分析結(jié)果。

該方案從SMP中形成的二維前驅(qū)體的幾何變換開(kāi)始，無(wú)論是否集成功能材料，都使用與前面研究類似的方法將其轉(zhuǎn)換為三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)。將生成的三維細(xì)觀結(jié)構(gòu)加熱到SMP玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上的溫度，然后冷卻到室溫就可以從裝配平臺(tái)釋放后依然能夠保持其固定三維形狀。這種技術(shù)適用于SMPs中的大范圍3D結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的厚度在微米范圍內(nèi)，橫向尺寸在微米到厘米范圍內(nèi)，使用其他方法很難甚至不可能再現(xiàn)這些特性。將功能材料和電子元件集成到二維前驅(qū)體結(jié)構(gòu)上，就可以得到獨(dú)立的三維功能設(shè)備。該研究成果在軟機(jī)器人、柔性電子、醫(yī)療設(shè)備、微機(jī)電系統(tǒng)和許多其他領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：
Wang, X., et al., Freestanding 3D Mesostructures, Functional Devices, and Shape-Programmable Systems Based on Mechanically Induced Assembly with Shape Memory Polymers. Advanced Materials, 2019. 31(2): p. 1805615.

供稿人:賀佩 賀健康供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室