基于形状记忆聚合物的机械诱导组装、独立

供稿人:贺佩 贺健康

控制先进材料的复杂三维微/纳米结构的形成能力在广泛的研究领域中具有重要意义。近期研究人员开发了使用应力释放的预应变弹性基板作为动力组装三维结构和功能微器件的二维前驱体的新方法。该方法的局限性在于，由于组成材料的弹性恢复，将这些结构从衬底中释放出来时会使其恢复到原有的2D布局。为了解决这个问题，美国西北大学的John A. Rogers教授等研究人员提出了一种新方法，他们采用形状记忆聚合物，利用相似的方法实现制作了独立3D体系结构，制造了特征尺寸小到500、10和5μm的器件，这个方法具有朝更大或更小的尺寸器件发展的潜力。该研究制备的无线电子设备展示了将功能组件集成到SMP的3D构架中的能力。定量力学建模和实验测量证明该结构可以控制形状固定、允许结构恢复具有形状可编程的能力。

制作这种功能器件是通过压缩屈曲的方法实现的，这些器件具有多种配置和广泛的材料组成，包括跨越纳米到厘米长度尺度的关键尺寸。该研究利用形状记忆聚合物的形状记忆效应：1) 利用弹性压缩屈曲构造独立的3D细观结构2）赋予构件从严重变形恢复的能力和3）可编程的改变结构的形状。

图一 由机械导向组装而成的三维形状记忆聚合物细观结构。a) 通过光刻和压缩屈曲制作三维细观结构的工艺示意图。b) 各种SMP三维细观结构的实验图像及有限元分析结果。

该方案从SMP中形成的二维前驱体的几何变换开始，无论是否集成功能材料，都使用与前面研究类似的方法将其转换为三维细观结构。将生成的三维细观结构加热到SMP玻璃化转变温度以上的温度，然后冷却到室温就可以从装配平台释放后依然能够保持其固定三维形状。这种技术适用于SMPs中的大范围3D结构，这些结构的厚度在微米范围内，横向尺寸在微米到厘米范围内，使用其他方法很难甚至不可能再现这些特性。将功能材料和电子元件集成到二维前驱体结构上，就可以得到独立的三维功能设备。该研究成果在软机器人、柔性电子、医疗设备、微机电系统和许多其他领域具有非常好的应用前景。

参考文献：
Wang, X., et al., Freestanding 3D Mesostructures, Functional Devices, and Shape-Programmable Systems Based on Mechanically Induced Assembly with Shape Memory Polymers. Advanced Materials, 2019. 31(2): p. 1805615.

供稿人:贺佩 贺健康供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室