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  1月29日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院張一慧副教授課題組在《自然-材料》（Nature Materials）期刊以長文形式發(fā)表了題為《基于多穩(wěn)態(tài)屈曲力學(xué)的可重構(gòu)三維細微觀結(jié)構(gòu)和微電子器件》（Morphable 3D mesostructures and microelectronic devices by multistable buckling mechanics）的研究論文，系統(tǒng)報道了一種利用彈性組裝平臺的變形路徑對三維細微觀結(jié)構(gòu)幾何拓?fù)溥M行可逆調(diào)控的非線性屈曲力學(xué)新方法，進而設(shè)計并實現(xiàn)了自適應(yīng)射頻電路、可隱身微型天線等非常規(guī)可重構(gòu)器件。

  可重構(gòu)三維結(jié)構(gòu)在生醫(yī)器件、微機電系統(tǒng)、機器人和超材料等眾多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，對科學(xué)研究和技術(shù)進步起到了關(guān)鍵的推動作用。然而，現(xiàn)有的可重構(gòu)三維結(jié)構(gòu)的成形技術(shù)較為局限，在結(jié)構(gòu)尺度和材料類型這兩個關(guān)鍵問題上仍無法兼顧，主要體現(xiàn)在無法適用于微納米尺度或高性能電子材料，這在很大程度上限制了可重構(gòu)三維微電子器件的發(fā)展。

  張一慧副教授課題組和美國西北大學(xué)約翰·羅杰斯教授（John A. Rogers）、黃永剛教授（清華大學(xué)“千人計劃”專家）課題組合作，創(chuàng)建出一種基于多穩(wěn)態(tài)屈曲力學(xué)的可重構(gòu)三維結(jié)構(gòu)成形方法。該方法將二維薄膜圖案通過壓縮力的作用變形成目標(biāo)三維結(jié)構(gòu)，并通過改變壓縮變形的路徑實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)在不同構(gòu)型之間的可逆切換。這一技術(shù)不但能應(yīng)用于多種特征尺度，而且與現(xiàn)代化微電子制備工藝相兼容，適用于導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體等各種材料類型甚至集成電路系統(tǒng)的構(gòu)建。

  在《自然材料》的論文中，該研究團隊闡述了多穩(wěn)態(tài)屈曲力學(xué)方法的設(shè)計概念及三維可重構(gòu)的力學(xué)機理，并在此基礎(chǔ)上建立了一套系統(tǒng)的可重構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，通過二十多組不同結(jié)構(gòu)構(gòu)型的實驗對這一重構(gòu)策略的可行性進行了驗證。根據(jù)該方法成形的可隱身微型天線，具有極大的通訊頻率范圍（6 GHz~30 GHz），并且可以實現(xiàn)工作和隱身兩種模式：在工作模式下，天線可以與外界進行通訊；而在隱身模式下，天線由于電磁屏蔽效應(yīng)，其通訊效率大大降低，因而很難被外界探測到。

圖1：兩種可重構(gòu)三維細微觀結(jié)構(gòu)的重構(gòu)過程（上圖展示了微型“章魚”與“蜘蛛”之間的可逆重構(gòu)過程；下圖展示了微型“房子”與“籃子”之間的可逆重構(gòu)過程）。圖案化的二維結(jié)構(gòu)經(jīng)歷雙向同時壓縮，變形為左側(cè)的“章魚”或“房子”型結(jié)構(gòu)；經(jīng)歷分布壓縮，則變形為右側(cè)的“蜘蛛”或“籃子”型結(jié)構(gòu)。

圖2：六個可重構(gòu)三維細微觀結(jié)構(gòu)的結(jié)果。構(gòu)型I對應(yīng)基底雙向同時卸載時得到的組裝結(jié)果，構(gòu)型II對應(yīng)基底分布卸載時得到的組裝結(jié)果。前四個結(jié)構(gòu)的比例尺表示400微米，其余表示4毫米。

  清華大學(xué)航院張一慧副教授、美國西北大學(xué)約翰·羅杰斯教授和黃永剛教授為本文的共同通訊作者。清華大學(xué)航院博士后付浩然和美國伊利諾伊大學(xué)博士生南科望為本文的第一作者。清華大學(xué)為本文的第一完成單位。該研究成果得到了國家自然科學(xué)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。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-017-0011-3