折纸艺术在三维微纳米结构制备中的应用

折纸艺术起源于中国南北朝时期,迄今为止已有1500多年的历史。如今,这项古老的艺术在现代科学中找到了新的应用。伊利诺伊大学Rogers教授课题组和清华大学张一慧教授课题组合作,将折纸的设计思想与现代微纳加工工艺相结合,发明了一种基于力学压缩屈曲的全新组装技术,用于三维微纳米结构的制备。

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该技术的基本步骤是:首先制备具有一定构型的二维平面结构,然后将其转移至预拉伸的弹性基底表面,通过表面化学处理把平面结构选择性地粘接于弹性基底,之后释放弹性基底的预拉伸,即可将未粘接于基底的平面结构挤出弹性基底表面,从而形成三维结构。如何将折纸艺术的设计思想巧妙的引入到该组装技术中,是这项工作的核心之一。作者通过控制二维平面结构的厚度分布,形成类似折纸艺术中的折痕。因为薄的区域的抗弯刚度小于厚的区域,因此在压缩屈曲过程中,二维构型将从弹性基底弹出,并在薄的区域发生折叠,从而形成精确可控的三维折叠结构。在该研究中,作者展示了四十余种具有复杂形状的三维折叠结构,实验结果和基于屈曲力学模型的模拟结果吻合很好。本文插图展示了其中一个三维汽车折叠结构的形成过程。

该方法具有广泛的适用性,不仅适用于半导体、金属、聚合物等高性能材料,而且适用于凝胶等柔性材料,还可应用于各种不同特征尺度(从纳米至厘米量级)的三维结构组装,因此在生物医学器件、微机电系统、光电子器件和超材料等领域有重要应用前景。相关论文在线发表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201504901),并被选为当期的Inside Front Cover做简要介绍。该文第一作者为伊利诺伊大学的闫政博士和清华大学的博士生张帆。

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