张一慧课题组提出在曲面上组装复杂三维结构及电子器件的新方法

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近日，航天航空学院张一慧教授课题组提出了一种在曲面上制造复杂三维结构和电子器件的新策略。基于该策略课题组在十余种不同曲面上成功制备了几十种基于高性能材料的复杂三维结构，并研制出连续可调的偶极子天线，与心尖共形集成的高度可拉伸三维集成电子系统，以及附着于圆管内表面的三维流体传感器。
        在摩擦力传感、微型机器人可控运动、宽视场光学成像和流速测量等众多领域，基于三维立体结构的微电子和光电子器件具有不可或缺的作用。近年来，研究者利用可控卷曲、折叠和屈曲变形等三维组装技术，实现了基于高性能材料的三维结构和器件的制造。然而，所得到的三维结构主要是在平面基底上组装成型的，无法直接转移到另一个曲面上。目前，在任意曲面上组装制造复杂三维电子器件仍然具有很大的挑战性。
        课题组提出了一种力学引导的逐级三维组装策略，使得平面薄膜或器件可以在众多三维曲面上变形为复杂的三维结构或器件，包括规则曲面（如半球面、圆柱面、螺旋面和双曲面）和仿生曲面（如缠绕的藤蔓、人脸、类大脑、主动脉和心脏等）。该策略首先利用力学加载将曲面弹性基底变形为平面或圆柱形结构，以便于平面薄膜的转印与集成，并通过进一步的单轴/双轴预拉伸来驱动屈曲引导的三维组装。将预先施加的载荷释放，便会诱发逐级的三维组装过程，并可通过定量的力学模型准确地预测整个过程。

       曲面上复杂三维结构的逐级组装策略。A图为在人脸曲面上组装成型三维装饰面具；B图为在螺旋曲面上组装三维叶子状结构；C图为在圆柱面的内表面组装三维螺旋线结构；D图为在莫比乌斯环上组装仿生蚂蚁结构。

        课题组通过理论分析、有限元仿真和实验对该逐级组装策略的有效性进行了验证，在十余种不同曲面基底上设计制造了几十种具有不同几何构型的三维结构。基于这一逐级组装策略，还研制出频率连续可调的偶极子天线，与心尖共形集成的高度可拉伸三维集成电子系统，以及附着于管内表面的三维流速传感器。

A图为在不同曲面上组装的不同尺度不同材料的复杂三维结构（从左到右的比例尺为100m、200m、5mm、5mm和10mm）；B图为与心尖共形集成的高度可拉伸三维集成电子系统; C图为在管内表面的三维流速传感器；D图为连续可调的偶极子天线

         相关研究成果于8月10日在《科学·进展》（Science Advances）以“基于曲面的复杂三维结构及电子器件组装”（Assembly of complex 3D structures and electronics on curved surfaces）为题发表，并被选为当期封面。
         清华大学航院张一慧教授为文章的通讯作者。清华大学航院博士后薛兆国（现为北京航空航天大学副教授）、2019级博士生金天棨为文章的共同第一作者。清华大学航院2020级博士生徐世威、2017级博士生程旭、2019级博士生籍梓垚、2017级博士生庞文博、2019级博士生沈张明、2018级博士生帅雨萌，航院2014级本科生贺琪，以及航院博士后张帆、白柯、宋洪烈等参与了此项研究。该研究成果得到了国家自然科学基金委（原创探索计划项目、创新研究群体和青年科学基金）、霍英东青年教师基金、博士后创新人才支持计划等项目的资助。
        论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm6922


          文章来源：清华大学
       张一慧，清华大学航天航空学院工程力学系副教授。2006年在南京航空航天大学飞行器设计与工程专业获学士学位，2011年在清华大学工程力学系获博士学位。2011年至2015年在美国西北大学土木与环境工程系先后担任Postdoctoral Fellow和Research Assistant Professor。2017年获得国家自然科学基金委优秀青年基金资助。他的主要研究兴趣包括力学引导的微尺度三维结构组装，柔性可延展电子器件，软质多孔材料等。至今已发表SCI论文70余篇，其中《Science》2篇，《Cell》1篇，《Nature》子刊10篇，《Science》子刊1篇，《PNAS》4篇，力学领域顶级期刊《JMPS》8篇，材料学权威期刊《Advanced Functional Materials》7篇，《ACS Nano》2篇。获《麻省理工学院技术评论》“全球35位35岁以下创新者”（2016）、香港求是科技基金会“求是杰出青年学者奖”（2016）、美国机械工程师协会最高论文奖梅尔维尔奖章Melville Medal（2017）、美国机械工程师协会应用力学部杰出论文奖Journal of Applied Mechanics Award（2017）、国际工程科学协会青年学者奖章（2018）等荣誉。