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南洋理工大学陈晓东教授、高华健教授/中科院理化所王树涛教授《自然·通讯》：塑性薄膜变形新策略

文章来源：新材料在线更新时间：2022-12-01 09:32:32

三维（3D）结构框架因其可以容纳更多的功能器件，提供比二维(2D)结构更好的空间分辨率已在功能材料和电子器件领域受到了广泛关注。但由于目前器件制备工艺如旋涂、光刻和薄膜沉积等限制了器件的基底膜材料为平面或简单的宏观3D结构，因此无法直接制备3D器件。而后期形状转变为其提供了可能，可以将二维电子器件转变为三维结构的设备。

目前的形状转化策略主要限于非均匀或响应性材料。而柔性电子器件的重要基底薄膜材料如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚四氟乙烯(PTFE)和聚酰亚胺(PI)都是塑性、均一且惰性的。因此，实现均匀的塑料薄膜的形状转变仍面临巨大挑战。

近日，新加坡南洋理工大学陈晓东教授团队、高华健教授团队和中国科学院理化技术研究所王树涛研究员团队合作开发了一种基于剥离的简单有效的塑性膜材料的可控形状转变策略，适用于聚合物、金属、纤维膜等具有塑性形变特征的材料，为柔性电子的2D向3D转变提供了新方法。相关工作以“Shape morphing of plastic films”为题发表在Nature Communications上。

受生活中撕胶带是胶带卷曲的现象启发，通过对剥离过程中薄膜的塑性应变进行控制，提出了一种简单的将均匀惰性塑料薄膜转变为独立的三维框架的方法。剥离系统包括塑性薄膜、粘附层和基底(图1a)。在剥离过程中，薄膜两侧产生不对称的塑性应变，释放后塑性应变被保留下来，从而使塑料薄膜发生弯曲(图1a)。而塑料应变的不对称程度可以通过调节剥离过程相关参数来调节，如剥离速度、粘附层厚度、薄膜厚度、剥落角度(φ)等。塑性应变的方向可以由偏移角(δ)来控控制，从而控制弯曲方向。调整这些参数可以将二维的塑性薄膜前驱体转换为复杂的3D几何形状(图1b, c)。这种剥离诱导的形状变形策略适用于各种塑性材料，以及至少有一层作为塑性薄膜的多层膜。实验结果也得到了理论模型和数值模拟的验证和支持。

图1 剥离诱导惰性塑性薄膜形状转变的普适性策略。

以塑料薄膜为基底，通过剥离诱导形状转变的策略，二维电路可以转变成各种结构的三维电路，而电路电阻几乎不变（图2a）。借助其三维结构，电路也被赋予了更多功能，如高的拉伸性和拉伸下可旋转的性质（图2a）。平面塑性压电聚合物体系也可以很容易地转变为三维形状，进而提高其振动灵敏度，并扩展了其可感知振动频率范围（图2b）。这种剥离诱导的形状转变策略将为柔性电子领域带来新的发展契机。将该策略引入传统的响应性驱动领域，可以很好地设计和控制驱动器的初始形状，进而得到的3D形状的响应性驱动器可以在刺激下进一步改变形状(图2c)，称为4D形状变换。

图 2 剥离诱导形状转变策略用于3D电子器件和4D形状变换驱动器的开发。

剥离诱导形状转变的策略适用于大多数具有塑性变形能力的材料和其他复杂体系，有望为3D和4D的柔性电子器件和刺激响应驱动器带来新的繁荣。

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