基于压缩屈曲组装技术实现三维振动模式

AFM-zhangyihui自然界中,生物由于具有丰富多样的几何形状,能够在各种环境中实现复杂的运动。人类一直在尝试模仿这些运动,近年来微观尺度上的微机电系统尤其受到关注。大多数微机电系统基于二维平面结构,因而只能实现简单的工作模式。美国西北大学Rogers教授及黄永刚教授课题组,和清华大学张一慧副教授课题组合作,利用基于力学压缩屈曲的三维组装技术构建复杂结构,在微观尺度、三维空间上实现了多种复杂的振动模式。

该技术首先将具有一定构型的二维结构选择性地粘贴在受预拉伸的弹性基底,释放基底的预拉伸形成三维结构,然后通过具有多个方向激励的振动台实现多种三维振动模式。在该研究中,作者展示了二十多种振动模式,本文插图展示了其中一部分。振动频率的可调节性是这种三维结构的优势之一。由于结构部分粘接在弹性基底上,通过拉伸基底改变结构形态可以实现共振频率的连续调节;利用特定三维结构的多稳态特性,可以通过不同稳态间的转变实现共振频率的突变。以上两者结合则可以在较大的范围内实现频率调节。实验测定的结果与计算模拟能够很好的符合,说明共振频率具有良好的可预测性。通过这种调节方式,三维结构可以根据外界环境的变化调整自身频率,以提高其在微机电共振器、能量收集器中的应用效率。此外,三维结构的振动在高精度质量传感器、流变学等领域也有潜在应用。

该研究中使用的三维组装技术具有广泛的适用性,能够应用于半导体、聚合物、金属等不同材料,以及从纳米到厘米量级的各种特征尺度。因此,预测三维结构的共振频率随尺度、材料的变化对扩展该研究的适用范围具有重要意义。作者基于线性振动理论发展了理论模型,给出的理论公式能够迅速、准确地预测结构的共振频率随结构厚度、面内尺寸、模量、密度的变化规律,结果与针对不同尺寸、复合材料组分开展的实验研究能够很好的符合。相关论文在线发表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201605914)。该文第一作者为伊利诺伊大学的宁鑫博士,西北大学的王禾翎博士和伊利诺伊大学的于欣格博士。