清華大學Science Advances: 力學引導三維組裝新策略實現仿生三維光電器件的制備

導讀

生物系統，包括植物(如莖、花和種子)和動物(如心臟、肺泡、大腦、血管和氣管)，大多具有復雜的三維曲面，有些具有動態的、時變的特征。制造方法/技術的發展能夠實現電子系統與這些3D表面共形集成，這對于與這些生物系統的高保真信息交互至關重要。由此產生的三維共形電子系統在健康監測、人機界面、曲面顯示、治療設備、人工組織/器官以及基礎生物醫學研究等領域有著廣泛的應用。在這種背景下，各種制造方法/技術被開發出來，例如，轉移打印，3D打印和直寫，折紙/剪紙技術(42-52)，全息光刻，以及氣動控制組裝。雖然3D打印技術(例如，多層材料3D打印)可以創造幾乎任何3D形狀的導電和絕緣組件，但這些技術仍然不能制造高性能器件所必需的高質量無機電子材料(如硅和砷化鎵)。在復雜曲面上直接打印懸浮微米尺度的3D結構也具有挑戰性。基于共形轉印的轉移打印技術已經能夠制造各種具有曲面3D形狀的電子器件，如硅球、光電探測器陣列、天線和形狀自適應的光電成像儀。然而，這些方法無法將3D電子元件/設備轉移到曲面上。雖然具有精確控制的3D形狀的電子設備對于摩擦力傳感、流速測量和具有廣角視野的光學成像至關重要，但開發在任意3D曲面上制造復雜3D電子設備的方法仍然具有挑戰性，且很少有人探索。盡管最近建立的基于機械引導的3D組裝方法提供了制備具有不同3D拓撲的電子設備的方法，然而，所實現的3D設備大多是在平面基板上形成的，不能直接轉移到另一個曲面襯底上。

成果掠影

近日，清華大學張一慧教授和Prabhat Verma（共同通訊作者）等人在Science Advances上發表文章，題為“Assembly of complex 3D structures and electronics on curved surfaces”。作者介紹了一種有序的組裝策略，可以在不同的彎曲表面上將二維薄膜轉化為復雜的三維結構。該策略利用預定機械負載，使彎曲的彈性體基底變形為平面/圓柱形結構，然后通過額外的單軸/雙軸預拉伸來驅動扣弦引導的組裝。通過力學建模，可以準確釋放預定的載荷，實現在曲面上有序組裝復雜三維結構的零件，本文中實例在彎曲基底上組裝了幾十個這類結構的零件。包括可調諧偶極子天線、水管內的流量傳感器、能夠與心臟共形整合的集成電子系統等。該成果具有廣泛的器件應用潛力，尤其是在健康醫療領域。借助該策略，有望開發更舒適的可穿戴三維電子器件、用于人體器官健康監測的植入式多模態三維傳感器、仿生三維光電器件以及組織器官培養的人造支架等應用。

核心創新點：

1. 提出了一種力學引導的逐級三維組裝新策略，使得平面薄膜或器件在眾多三維曲面上變形為復雜的三維結構或器件，包括規則曲面和仿生曲面。

2.適用于眾多曲面類型的復雜三維結構、以及電子器件組裝

數據概覽

圖1.?曲面上復雜三維結構的逐級組裝策略@ 2022 The authors

A.在人臉曲面上組裝成型三維裝飾面具

B.在螺旋曲面上組裝三維葉子狀結構

C.在圓柱面的內表面組裝三維螺旋線結構

D.在莫比烏斯環上組裝仿生螞蟻結構

圖2.?在曲面上組裝復雜的三維結構@ 2022 The authors

A.彎曲的馬蹄形襯底示意圖

B.三維帶狀結構在馬蹄基板上組裝過程的光學圖像

C.半球形彈性體基底在不同水平雙軸拉伸作用下母線輪廓的有限元分析和實驗結果

D.半球基底在不同水平雙軸拉伸下的最大主應變線的有限元預測

E.通過有限元預測在半球形襯底上組裝不同長度的直帶(Lribbon)的比較。

F.在半球形襯底的凹凸表面上組裝的各種三維結構的二維幾何圖形、有限元預測和實驗圖像

G-J.半球面襯底上組裝半橢球面反設計

K-N.在半球基底上不同空間位置組裝相同高度的小半球的反向設計

O-P.螺旋微尺度結構網絡和微小的三維菱形帶微尺度結構組裝在類腦表面的光學圖像

圖3.?在圓柱形或圓柱形表面上組裝復雜的三維結構@ 2022 The authors

A.作為彎曲基底的主動脈模型示意圖，以及壓縮屈曲在該基底上組裝螺旋和雙螺旋結構的過程

B.拉伸屈曲在圓柱基板上組裝不同長度的直帶工藝

C.二維幾何圖形，有限元預測，以及組裝在圓柱形基板上的各種三維結構的實驗圖像

D.由拉伸屈曲形成的kirigami鱗狀三維結構的二維前驅體、有限元預測和實驗圖像

E.有限元預測和實驗圖像說明了kirigami尺度結構陣列在Archimedean螺旋纖維上的有序組裝過程

F-H.在螺旋纖維上不同空間區域組裝相同高度(H)和螺距(p)的螺旋結構的反設計

圖4. 裝配策略適用于各種高性能材料和電子器件@ 2022 The authors

A.在不同曲面上組裝的不同尺度不同材料的復雜三維結構

B.與心尖共形集成的高度可拉伸三維集成電子系統

C.為在管內表面的三維流速傳感器

D.連續可調的偶極子天線

圖5. 3D電子設備的演示，可以共形附著在人體器官的曲面上@ 2022 The authors

A-D. 3D壓阻式流量傳感器

E-G. 三維集成電子系統

小結與展望

作者提出了一種力學引導的逐級三維組裝策略，使得平面薄膜或器件可以在眾多三維曲面上變形為復雜的三維結構或器件，包括規則曲面（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、類腦、主動脈和心臟等）。該策略首先利用力學加載將曲面彈性基底變形為平面或圓柱形結構，以便于平面薄膜的轉印與集成，并通過進一步的單軸/雙軸預拉伸來驅動屈曲引導的三維組裝。將預先施加的載荷釋放，便會誘發逐級的三維組裝過程，并可通過定量的力學模型準確地預測整個過程。

文獻鏈接：Assembly of complex 3D structures and electronics on curved surfaces，Science Advances，2022，DOI:10.1126/sciadv.abm6922.

本文由納米小白供稿

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