清华大学Science Advances: 力学引导三维组装新策略实现仿生三维光电器件的制备

导读

生物系统，包括植物(如茎、花和种子)和动物(如心脏、肺泡、大脑、血管和气管)，大多具有复杂的三维曲面，有些具有动态的、时变的特征。制造方法/技术的发展能够实现电子系统与这些3D表面共形集成，这对于与这些生物系统的高保真信息交互至关重要。由此产生的三维共形电子系统在健康监测、人机界面、曲面显示、治疗设备、人工组织/器官以及基础生物医学研究等领域有着广泛的应用。在这种背景下，各种制造方法/技术被开发出来，例如，转移打印，3D打印和直写，折纸/剪纸技术(42-52)，全息光刻，以及气动控制组装。虽然3D打印技术(例如，多层材料3D打印)可以创造几乎任何3D形状的导电和绝缘组件，但这些技术仍然不能制造高性能器件所必需的高质量无机电子材料(如硅和砷化镓)。在复杂曲面上直接打印悬浮微米尺度的3D结构也具有挑战性。基于共形转印的转移打印技术已经能够制造各种具有曲面3D形状的电子器件，如硅球、光电探测器阵列、天线和形状自适应的光电成像仪。然而，这些方法无法将3D电子元件/设备转移到曲面上。虽然具有精确控制的3D形状的电子设备对于摩擦力传感、流速测量和具有广角视野的光学成像至关重要，但开发在任意3D曲面上制造复杂3D电子设备的方法仍然具有挑战性，且很少有人探索。尽管最近建立的基于机械引导的3D组装方法提供了制备具有不同3D拓扑的电子设备的方法，然而，所实现的3D设备大多是在平面基板上形成的，不能直接转移到另一个曲面衬底上。

成果掠影

近日，清华大学张一慧教授和Prabhat Verma（共同通讯作者）等人在Science Advances上发表文章，题为“Assembly of complex 3D structures and electronics on curved surfaces”。作者介绍了一种有序的组装策略，可以在不同的弯曲表面上将二维薄膜转化为复杂的三维结构。该策略利用预定机械负载，使弯曲的弹性体基底变形为平面/圆柱形结构，然后通过额外的单轴/双轴预拉伸来驱动扣弦引导的组装。通过力学建模，可以准确释放预定的载荷，实现在曲面上有序组装复杂三维结构的零件，本文中实例在弯曲基底上组装了几十个这类结构的零件。包括可调谐偶极子天线、水管内的流量传感器、能够与心脏共形整合的集成电子系统等。该成果具有广泛的器件应用潜力，尤其是在健康医疗领域。借助该策略，有望开发更舒适的可穿戴三维电子器件、用于人体器官健康监测的植入式多模态三维传感器、仿生三维光电器件以及组织器官培养的人造支架等应用。

核心创新点：

1. 提出了一种力学引导的逐级三维组装新策略，使得平面薄膜或器件在众多三维曲面上变形为复杂的三维结构或器件，包括规则曲面和仿生曲面。

2.适用于众多曲面类型的复杂三维结构、以及电子器件组装

数据概览

图1. 曲面上复杂三维结构的逐级组装策略@ 2022 The authors

A.在人脸曲面上组装成型三维装饰面具

B.在螺旋曲面上组装三维叶子状结构

C.在圆柱面的内表面组装三维螺旋线结构

D.在莫比乌斯环上组装仿生蚂蚁结构

图2. 在曲面上组装复杂的三维结构@ 2022 The authors

A.弯曲的马蹄形衬底示意图

B.三维带状结构在马蹄基板上组装过程的光学图像

C.半球形弹性体基底在不同水平双轴拉伸作用下母线轮廓的有限元分析和实验结果

D.半球基底在不同水平双轴拉伸下的最大主应变线的有限元预测

E.通过有限元预测在半球形衬底上组装不同长度的直带(Lribbon)的比较。

F.在半球形衬底的凹凸表面上组装的各种三维结构的二维几何图形、有限元预测和实验图像

G-J.半球面衬底上组装半椭球面反设计

K-N.在半球基底上不同空间位置组装相同高度的小半球的反向设计

O-P.螺旋微尺度结构网络和微小的三维菱形带微尺度结构组装在类脑表面的光学图像

图3. 在圆柱形或圆柱形表面上组装复杂的三维结构@ 2022 The authors

A.作为弯曲基底的主动脉模型示意图，以及压缩屈曲在该基底上组装螺旋和双螺旋结构的过程

B.拉伸屈曲在圆柱基板上组装不同长度的直带工艺

C.二维几何图形，有限元预测，以及组装在圆柱形基板上的各种三维结构的实验图像

D.由拉伸屈曲形成的kirigami鳞状三维结构的二维前驱体、有限元预测和实验图像

E.有限元预测和实验图像说明了kirigami尺度结构阵列在Archimedean螺旋纤维上的有序组装过程

F-H.在螺旋纤维上不同空间区域组装相同高度(H)和螺距(p)的螺旋结构的反设计

图4. 装配策略适用于各种高性能材料和电子器件@ 2022 The authors

A.在不同曲面上组装的不同尺度不同材料的复杂三维结构

B.与心尖共形集成的高度可拉伸三维集成电子系统

C.为在管内表面的三维流速传感器

D.连续可调的偶极子天线

图5. 3D电子设备的演示，可以共形附着在人体器官的曲面上@ 2022 The authors

A-D. 3D压阻式流量传感器

E-G. 三维集成电子系统

小结与展望

作者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。

文献链接：Assembly of complex 3D structures and electronics on curved surfaces，Science Advances，2022，DOI:10.1126/sciadv.abm6922.

本文由纳米小白供稿

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