目前，多功能三維微器件在生物醫學器件、機器人和微機電系統等眾多領域具有廣泛應用。然而，受成型三維結構尺寸及材料種類的限制，現有三維微結構的制備、組裝方法難以滿足當前三維微器件的快速發展需求。2015年《科學》的一篇封面論文報道了一種基于力學引導的三維屈曲組裝方法，依托一個預拉伸的彈性基底作為組裝平臺，能夠實現不同材料（金屬、聚合物、硅等）的跨尺度（微米至厘米）三維結構組裝，為解決上述問題提供了一種新的途徑。不過，該方法需要克服的一個挑戰是如何將形成的三維微結構與彈性基底分開并獨立存在，因為基底的存在很大程度上限制了該方法在機器人，生物醫療器件等領域中的應用。

近日，美國西北大學約翰?羅杰斯（John A. Rogers）課題組與清華大學航天航空學院張一慧課題組合作在《先進材料》（Advanced Materials）期刊上發表了題為Freestanding 3D Mesostructures, Functional Devices, and Shape‐Programmable Systems Based on Mechanically Induced Assembly with Shape Memory Polymers的研究論文。該成果原創性地提出了基于力學引導三維組裝，利用形狀記憶聚合物（SMP）的固形特性來制備獨立三維微觀結構及器件的新方法。該方法成功地實現了獨立的跨尺度多功能三維結構及器件，為三維微觀結構在未來多領域的應用提供了一條新途徑。

該研究團隊首先闡述了利用力學引導的三維屈曲組裝方法制備多尺度三維形狀記憶聚合物（SMP）結構的可行性。如圖一所示，該研究團隊制作了蝴蝶，章魚，螺旋結構等十多種從微米到厘米尺度的三維SMP結構，這些三維 SMP結構的大小，特征尺寸，以及厚度分別達到500微米，10微米和5微米，超過了已經報道的三維 SMP結構所能達到的尺度范圍。

圖1 基于力學引導三維屈曲組裝方法制備的SMP三維宏、微觀結構

圖2 獨立的SMP三維宏、微觀結構

圖二展示了獨立的SMP三維宏、微觀結構及其制備流程。通過對力學引導組裝后的三維結構進行升降溫處理，使其具備了與基底脫離并保持三維形狀的能力。基于該方法，制備了具有不同拓撲結構的多尺度獨立三維結構。通過三維結構實驗結果的定量分析，表明獨立前后三維結構尺寸變化微小，證明了利用SMP實現獨立三維結構的可行性及可靠性。

此外，SMP作為一個載體，通過與其他功能材料及器件集成，能夠形成獨立三維功能器件。該研究團隊展示了通過集成電子器件，包括LED，電容器及線圈來實現通過無線通訊系統（NFC）給LED提供能量。此外，形成的獨立三維結構及器件在機械及熱力學方面都表現出極強的穩定性，上述研究都為該研究未來在生物醫學，MEMS，能源收集等領域的應用奠定了基礎。

圖3 基于SMP的三維微電子器件

清華大學航天航空學院張一慧副教授和美國西北大學約翰·羅杰斯教授為本文的共同通訊作者。美國密蘇里大學王學舉助理教授，清華大學航天航空學院博士后郭曉崗和清華大學微納米力學中心博士研究生葉際隆為本文第一作者。該研究成果得到了國家自然科學基金項目、中組部青年千人計劃、科技部973計劃等項目的資助。

 

參考文獻：

Wang XJ, Guo XG,Ye JL, et al. Freestanding 3D mesostructures, functional devices andshape-programmable systems based on mechanically induced assembly with shapememory polymers.[J]. Advanced Materials, 2018, 1805615. DOI:10.1002/adma.201805615.