利用有機導電材料、有機半導體和儲能材料的可拉伸性能開發(fā)柔性電子器件是實現(xiàn)電子器件延展性和柔性的主要策略之一。然而由于有機導體的電子遷移率較低，其制備的電子器件的性能將大大受限。通過力學結構設計和新材料的應用實現(xiàn)兼?zhèn)淇勺冃魏透咝阅軆纱髢?yōu)點的可延展柔性結構及電子器件在柔性顯示、電子皮膚、軟體機器人等領域具有廣闊的應用前景。

     針對以上問題，哈爾濱工業(yè)大學冷勁松院士課題組近日在《Matter》上發(fā)表題為“4D Printed Programmable Soft Network with Fractal Design and Adjustable Hydrophobic Performance”的文章。本期谷.專欄將分享其中的主要內容。

       研究團隊首先受分形幾何概念啟發(fā)，將含多級微結構的彎曲韌帶引入超材料中并結合4D打印技術，制備了具有力學性能（非線性應力-應變行為、泊松比）可調節(jié)、可編程和可重構的拉脹力學超材料。

超材料的微結構由兩條相同圓弧狀組成，具備旋轉對稱特性（如圖1 A, B所示），含二級結構的微韌帶是通過將2n（n=1, 2, 4, 6）個一級結構等比縮小并按照一級結構幾何形狀（如圖 1 D中橙色虛線所示）首尾相連構成。三級微韌帶以同樣的構造原理構造(如圖 1 E所示）。最終，將具有多級微結構的微韌帶組裝成手性超材料單元（如圖1 F-I所示）。通過建立幾何參數(shù)（ω/l, n, N, t/l,和θ）與宏觀力學性能之間的關系，揭示了超材料非線性力學行為的機理，實現(xiàn)了通過幾何參數(shù)對超材料非線性力學行為的調控和超材料力學行為的重編程和可重構性。

圖1 結合分形幾何概念的多級拉脹超材料設計

圖2 層狀柔性形狀記憶傳感器的結構及形狀記憶循環(huán)示意圖

圖3 超材料在醫(yī)療器械和柔性電子中的應用

      隨后，研究團隊將受荷葉表面超疏水微結構啟發(fā)的含柱狀微結構表面的電極膜與4D打印分形超材料骨架，集成為多層結構的柔性形狀記憶可重構電容式壓力傳感器（如圖2所示）。其具備力學性能和電學性能可重構性的同時實現(xiàn)了高靈敏度以及對檢測位點的高順應性。經(jīng)實驗證實，相比平面電極其信噪比(SNR)和靈敏度(S)分別實現(xiàn)了≈10倍和≈4倍的提升（如圖3所示）。突破了柔性傳感器性能在制造后不能隨環(huán)境變化或功能需求調節(jié)的局限。為適應被檢測組織、皮膚和器官的力學性能的多樣性需求，提供了解決方案，在植入式醫(yī)療設備、可穿戴電子設備、人機交互、軟機器人等領域有良好的科研價值和廣闊的應用前景。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.12.010

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