呂堅教授課題組《ACS AMI》:雙穩態驅動器snap出柔性電子新功能

三維電子（3D electronics）是一種前沿電子器件形式，因其在生物醫學、儲能、光學、傳感器領域有着廣泛應用而備受關注。在衆多應用場景中，電子器件通常無法重構進而改變其功能。在一些特殊場合，例如太空或海底，電子設備需要利用有限的空間，以不同的三維構型發揮不同的功能。近年來，三維自組裝、3D打印技術、智能導電材料爲三維電子的可重構提供了新的思路。然而，就現有的可重構三維電子器件而言，主要研究目標是簡化複雜的驅動機制和降低對導電材料的苛刻要求。

圖1. 雙穩態驅動器和可重構 3D 電子設備的製備示意圖。

香港城市大學國家貴金屬工程研究中心博士後陳舟和太赫茲及毫米波國家重點實驗室博士生孔商成，利用柔性雙穩態結構實現了三維電子器件的結構重構和功能拓展。雙穩態結構具有特殊的力學行爲，已被廣泛用作軟執行器、能量吸收裝置、智能開關、微透鏡表面等。在這項工作中，拱形雙穩態軟結構的一側經過紫外線/臭氧 (UVO) 處理後成爲了一種智能雙穩態驅動器。由於UVO處理層和未處理層對不同屬性的溶劑有溶脹反應，因此致動器能夠在溶劑作用下表現出快速突跳（snap-through和snap-back）行爲。柔性雙穩態結構能夠驅動鍵合於其上的柔性電路板在原始彎曲構型和三維屈曲構型之間反覆切換，豐富了電子器件的三維構型，擴展了電子器件的功能，如圖1所示。這一思想不僅提供了一種重構三維電子器件的方法，而且豐富了三維電子器件的功能設計思路。

圖2. 基於雙穩態驅動器的可重構三維結構示例。

承接上述的研究思路，各種柔性器件能夠通過雙穩態致動器的突跳行爲改變其三維構型進而改變器件的功能。我們採用有限元建模和實驗驗證的辦法演示可重構三維電子器件豐富的構型：不同的鍵合方式衍生出不同的三維構型（圖2b-d），不同的疊合方法變換出複雜的三維結構（圖2e-h）。三維可重構結構的多樣性爲三維電子器件的功能拓展提供了大量的設計思路。

圖 3.由雙穩態結構驅動的頻率可重構單極子天線 (ESMA)。

圖 3 展示了頻率可重構單極子天線 (ESMA)，爲可重構射頻電子器件的製造策略開闢了新途徑。可重構天線可以從工作模式 I可逆地摺疊成工作模式 II，如圖 3b 所示。衆所周知，偶極子或單極子天線的工作頻率與其長度成反比。三維天線作爲四分之一波單極天線工作，這意味着天線的有效長度是自由空間波長的四分之一。當天線切換至模式 II 後，所呈現構型的天線長度減半，致使天線的工作頻率翻倍。

這個工作報道了一種通過雙穩態智能驅動器構建三維可重構電子器件的策略。將柔性電子器件引入雙穩態智能驅動器，利用柔性智能驅動器對不同溶劑的突跳行爲重構柔性電子器件。通過數值和實驗系統地研究了致動器的雙穩態行爲、柔性電子襯底的三維構型。以頻率可重構天線爲示例，展示了該方法在射頻電子領域的應用，併爲其拓展至其他應用領域提供有益借鑑。

該論文主要作者是：呂堅教授課題組博士後陳舟，主要研究方向爲柔性驅動器，3D打印；陳志豪教授課題組博士生孔商成，主要研究方向爲毫米波與太赫茲片上天線。此研究得到廣東省科技廳、香港創新科技署的資助。

呂堅院士簡介

呂堅，法國國家技術科學院（NATF）院士，香港工程科學院院士，香港城市大學機械工程系講座教授，國家貴金屬材料工程研究中心香港分社理事，先進結構材料中心主任。研究方向涉及先進結構與功能納米材料的製備和力學性能，機械系統仿真模擬設計。曾任法國機械工業技術中 (CETIM)高級研究工程師和實驗室負責人，法國特魯瓦技術大學機械系統工程系系主任，法國教育部與法國國家科學中心（CNRS）機械系統與並行工程實驗室主任，香港理工大學機械工程系系主任、講座教授，兼任香港理工大學工程學院副院長，香港城市大學副校長。曾任法國、歐盟和中國的多項研究項目的負責人，並與空客、EADS、寶鋼、安賽樂米塔爾、AREVA、ALSTOM、EDF、ABB、雷諾、標緻等世界五百強公司有合作研究關係或爲它們進行科學諮詢工作。曾任歐盟第五框架科研計劃評審專家；歐盟第六框架科研計劃諮詢專家；中國國家自然科學基金委海外評審專家，中科院首批海外評審專家，中科院瀋陽金屬所客座首席研究員，東北大學、北京科技大學、南昌大學名譽教授，西安交通大學和西北工業大學顧問教授，上海大學、中山大學、中南大學等大學客座教授，中科院知名學者團隊成員，2011年被法國國家技術科學院（NATF）選爲院士，是該院近300位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國總統任命獲法國國家榮譽騎士勳章及法國國家榮譽軍團騎士勳章，2018年獲中國工程院光華工程科技獎。已取得34項歐、美、中專利授權，在本領域頂尖雜誌Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Materials Today、Advanced Materials、Advanced FunctionalMaterials、Nature Communications、Science Advances、 Advanced Science、PRL、Angew. Chem. 等專業雜誌上發表論文400餘篇，引用2萬8千餘次（Google Scholar）。

原文鏈接：

Chen Z., Kong S., He Y., Yi S., Liu G., MaoZ., Huo M., Chan C.H., Lu J., Soft, bistable actuators for reconfigurable 3Delectronics, ACS Appl. Mater. Inter.https://doi.org/10.1021/acsami.1c08722.

*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。

本文來自微信公衆號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯繫，未經許可謝絕轉載至其他網站。