航院张一慧课题组报道拉伸屈曲驱动的三维网状材料与电子器件组装方法
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清华新闻网9月15日电 近日，清华大学航天航空学院、柔性电子技术国家级重点实验室张一慧课题组提出一种拉伸屈曲驱动的三维网状材料组装方法，为三维网状材料与高性能电子器件的集成提供了创新性解决方案。
生物组织如血管、皮肤等，常由波浪状胶原纤维交织而成。受此启发研发的人工网状材料具有仿生力学性能（如高可拉伸性、非线性力学特性等），因而在组织支架、柔性电子等领域受到广泛关注。相比二维网状材料，三维网状材料力学设计自由度更高、各向异性性能更优，但将单晶硅等高性能无机电子材料集成到三维网状结构中面临工艺限制，模板法、3D打印等方法均难以实现，制约了三维网状电子器件发展。
为此，张一慧课题组提出一种拉伸屈曲驱动的三维组装方法，该方法适用材料广泛，可兼容单晶硅等高性能无机电子材料，为三维网状材料与高性能电子器件集成提供了创新性解决方案（图1）。
图1.拉伸屈曲驱动的三维网状材料组装方法。A图为组装方法示意；B图为组装制造的三维网状材料光学照片（比例尺1mm）；C图为拉伸屈曲组装过程（比例尺2mm）
在该方法中，平面多层结构设计是一大关键挑战。其几何构型直接决定其在拉伸驱动下的面外变形能力，进而影响三维结构的组装效率。然而，结构设计与面外变形间存在强非线性关系，传统拓扑优化方法难以应对。为此，课题组提出了一种数据驱动的拓扑优化方法，优化了平面多层结构的面外变形能力，显著提升了组装效率。
该方法制造的三维网状材料具有高度可调的仿生力学性能，能够模拟猪胸主动脉等生物组织的拉伸特性（图2A）。课题组还基于该方法开发了体三维显示器件，该器件可动态显示三维图案，并能通过改变构型调整显示空间分辨率，实现图案的重构（图2B）。
图2.A图为三维网状材料的仿生力学性能（比例尺5mm）；B图为拉伸屈曲组装方法制造的体三维显示器件（比例尺1cm）
研究成果以“基于拉伸屈曲的三维网状材料与电子器件组装方法”（Rational assembly of 3D network materials and electronics through tensile buckling）为题，于9月10日发表于《科学进展》（Science Advances）。
清华大学航天航空学院、柔性电子技术国家级重点实验室教授张一慧为论文通讯作者。清华大学航天航空学院2021级博士生胡笑男为论文第一作者。其他作者包括清华大学航天航空学院2018级博士生刘志、2023级博士生唐振家、2020级博士生徐世威、2019级博士生沈张明、2023级博士生羊佑舟，航天航空学院博士后肖越、王书恒、庞文博，以及清华大学柔性电子技术国家级重点实验室副研究员柏韧恒。研究得到清华大学自主科研计划、北京市自然科学基金项目、新基石科学基金会科学探索奖等的资助。
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