基于形狀記憶聚合物的機械誘導(dǎo)組裝、獨立

供稿人:賀佩 賀健康

控制先進材料的復(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。近期研究人員開發(fā)了使用應(yīng)力釋放的預(yù)應(yīng)變彈性基板作為動力組裝三維結(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)從襯底中釋放出來時會使其恢復(fù)到原有的2D布局。為了解決這個問題，美國西北大學(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，利用相似的方法實現(xiàn)制作了獨立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)建模和實驗測量證明該結(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壓縮屈曲的方法實現(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)造獨立的3D細觀結(jié)構(gòu)2）賦予構(gòu)件從嚴重變形恢復(fù)的能力和3）可編程的改變結(jié)構(gòu)的形狀。

圖一 由機械導(dǎo)向組裝而成的三維形狀記憶聚合物細觀結(jié)構(gòu)。a) 通過光刻和壓縮屈曲制作三維細觀結(jié)構(gòu)的工藝示意圖。b) 各種SMP三維細觀結(jié)構(gòu)的實驗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)體的幾何變換開始，無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)換為三維細觀結(jié)構(gòu)。將生成的三維細觀結(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，就可以得到獨立的三維功能設(shè)備。該研究成果在軟機器人、柔性電子、醫(yī)療設(shè)備、微機電系統(tǒng)和許多其他領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景。

參考文獻：
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：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室