東南大學&南京大學Light Sci. Appl.：穩定可靠的新型自修復柔性微波波導

一、【導讀】

柔性射頻技術是近年來飛速發展的一項前沿技術，在柔性可穿戴設備、人形機器人等領域具有重要的應用前景。作為構成柔性射頻系統最基本的器件，柔性平面微波傳輸線的性能對結構變化非常敏感，輕微結構變形就有可能導致其電磁性能出現急劇下降，從而嚴重影響射頻信號傳輸。然而，可穿戴的柔性設備不可避免地會經受長時間的彎折、扭曲，柔性平面微波傳輸線的損壞變形會給整個可穿戴系統的穩定性帶來巨大隱患。因此，如何保證射頻信號在柔性可穿戴系統中穩定、可靠地傳輸，是目前柔性射頻技術領域亟待解決的重大挑戰。

二、【成果掠影】

基于以上難題，東南大學李全教授、陸衛兵教授、南京大學李承輝教授等聯合提出了一種基于可拉伸蛇形金屬結構的新型人工表面等離激元波導（SSPP）結構，在不犧牲電磁性能的前提下展現出了優異的拉伸、扭曲性能。與傳統平面微波傳輸線相比，得益于人工表面等離激元獨特的場分布，該波導對金屬結構和基底的損傷變形有著更高的耐受能力。自修復材料可實時修復損傷維持器件結構的力學強度，而SSPP結構可在損傷變形的情況下維持良好的電磁性能，二者的特性相輔相成互為補充，從而實現了極佳穩定性和耐久性的新型微波波導。最后研究人員還進行了通信質量實驗，實驗結果證明了自修復柔性可拉伸人工表面等離激元波導優異的穩定性和耐久性，為未來柔性可穿戴射頻器件與系統的設計制造提供了全新思路。研究成果以題為“Stretchable and self-healable spoof plasmonic meta-waveguide for wearable wireless communication system” 發表在知名期刊Light: Science & Applications上。

三、【核心創新點】

基于動態亞胺鍵的自修復彈性體和可拉伸人工表面等離激元超材料的新型波導在不犧牲電磁性能的前提下展現出了優異的拉伸、扭曲性能，在人體網絡測試環境展現出優異的穩定性和耐久性。

四、【論文掠影】

圖1、自修復柔性可拉伸人工表面等離激元波導示意圖 ?2022 The Author

自修復材料提高了結構強度和耐久性，而SSPP結構提高了可靠性，并為自修復過程提供了更大的耐受性。

圖二、ATPA-EP的制備及性能表征 ?2022 The Author

（a）A01-TPA的合成路徑及結構。

（b）環氧-聚亞胺CAN交換機制。

（c-d）A01-TPA的簡化圖示及構成交聯動態ATPA-EP網絡。

（e-f）制備的透明ATPA-EP膜及其可再加工性。

（g）ATPA-EP從50%至200%應變的循環加載-卸載曲線。

（h）ATPA-EP在25℃下的連續階梯應變。

（i）室溫下兩個不同顏色的ATPA-EP樣品的剪切-愈合-拉伸過程。

（j-k）不同愈合時間的剪切ATPA-EP薄膜的應力-應變曲線和自修復效率。

圖三、新型人工等離子元波導的設計與制備 ?2022 The Author

（a）蛇形等離子體超材料單元圖示。

（b）等離子超材料單元的模擬色散曲線。

（c-f）蛇形型元波導的損傷圖示，受損元波導的電場和表面電流分布以及受損和完整元波導之間的傳輸系數對比。

（g）可拉伸元波導的機械應變模擬

（h）測量鋼表面ATPA-EP和PDMS的粘合強度。

（i）ATPA-EP和金屬結構之間的集成圖示。

（j）制作的新型人工等離子體元波導的照片。

圖四、未損壞元波導的測量 ?2022 The Author

（a）平面狀態下元波導的實驗照片。

（b）平面樣品的測量S參數測量。

（c-d）元波導的近場分布測量照片及結果。

（e）元波導在不同變形狀態下的照片。

（f-g）變形樣品的透射系數和功率比較。

圖五、抗損傷和自愈性能 ?2022 The Author

（a）部分損壞及愈合24小時樣品的照片。

（b-c）部分損壞樣品的透射系數及透射功率對比。

（d）完全損壞和愈合的樣品的照片。

（e-f）完全損壞樣品的透射系數及透射功率對比。

（g-i）新型人工等離子體元波導和微帶線的抗損傷實驗及性能對照。

圖六、性能測試 ?2022 The Author

（a）基于新型人工等離子體元波導的人體網絡測試環境概念圖。

（b）波形傳輸實驗的測量設備。

（c）損壞和變形的元波導的照片。

（d-e）元波導彎曲損壞及愈合后的波形信號。

（f）在USRP系統和可穿戴天線的幫助下，新型人工等離子體元波導的體內無線通信實驗。

五、【前景展望】

通過ATPA-EP的環氧聚酰亞胺CAN作為基材，研究人員報告了一種通過將自愈合彈性體與蛇形幾何等離子體超材料集成的自愈合和可拉伸的新型人工等離子體元波導。與傳統平面微波傳輸線相比，得益于人工表面等離激元獨特的場分布，該波導對金屬結構和基底的損傷變形有著更高的耐受能力。自修復材料可實時修復損傷維持器件結構的力學強度，而人工表面等離激元結構可在損傷變形的情況下維持良好的電磁性能，二者的特性相輔相成互為補充，從而實現了極佳穩定性和耐久性的新型微波波導，為未來柔性可穿戴射頻器件與系統的設計制造提供了全新思路。

文獻鏈接：Stretchable and self-healable spoof plasmonic meta-waveguide for wearable wireless communication system (Light Sci Appl., 2022, 11, 307)

本文由賽恩斯供稿。