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目前的形狀轉(zhuǎn)化策略主要限于非均勻或響應(yīng)性材料。而柔性電子器件的重要基底薄膜材料如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚四氟乙烯(PTFE)和聚酰亞胺(PI)都是塑性、均一且惰性的。因此，實現(xiàn)均勻的塑料薄膜的形狀轉(zhuǎn)變?nèi)悦媾R巨大挑戰(zhàn)。

近日，新加坡南洋理工大學(xué)陳曉東教授團隊、高華健教授團隊和中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所王樹濤研究員團隊合作開發(fā)了一種基于剝離的簡單有效的塑性膜材料的可控形狀轉(zhuǎn)變策略，適用于聚合物、金屬、纖維膜等具有塑性形變特征的材料，為柔性電子的2D向3D轉(zhuǎn)變提供了新方法。相關(guān)工作以“Shape morphing of plastic films”為題發(fā)表在Nature Communications上。

受生活中撕膠帶是膠帶卷曲的現(xiàn)象啟發(fā)，通過對剝離過程中薄膜的塑性應(yīng)變進行控制，提出了一種簡單的將均勻惰性塑料薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)楠毩⒌娜S框架的方法。剝離系統(tǒng)包括塑性薄膜、粘附層和基底(圖1a)。在剝離過程中，薄膜兩側(cè)產(chǎn)生不對稱的塑性應(yīng)變，釋放后塑性應(yīng)變被保留下來，從而使塑料薄膜發(fā)生彎曲(圖1a)。而塑料應(yīng)變的不對稱程度可以通過調(diào)節(jié)剝離過程相關(guān)參數(shù)來調(diào)節(jié)，如剝離速度、粘附層厚度、薄膜厚度、剝落角度(φ)等。塑性應(yīng)變的方向可以由偏移角(δ)來控控制，從而控制彎曲方向。調(diào)整這些參數(shù)可以將二維的塑性薄膜前驅(qū)體轉(zhuǎn)換為復(fù)雜的3D幾何形狀(圖1b, c)。這種剝離誘導(dǎo)的形狀變形策略適用于各種塑性材料，以及至少有一層作為塑性薄膜的多層膜。實驗結(jié)果也得到了理論模型和數(shù)值模擬的驗證和支持。

圖1 剝離誘導(dǎo)惰性塑性薄膜形狀轉(zhuǎn)變的普適性策略。

以塑料薄膜為基底，通過剝離誘導(dǎo)形狀轉(zhuǎn)變的策略，二維電路可以轉(zhuǎn)變成各種結(jié)構(gòu)的三維電路，而電路電阻幾乎不變（圖2a）。借助其三維結(jié)構(gòu)，電路也被賦予了更多功能，如高的拉伸性和拉伸下可旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)（圖2a）。平面塑性壓電聚合物體系也可以很容易地轉(zhuǎn)變?yōu)槿S形狀，進而提高其振動靈敏度，并擴展了其可感知振動頻率范圍（圖2b）。這種剝離誘導(dǎo)的形狀轉(zhuǎn)變策略將為柔性電子領(lǐng)域帶來新的發(fā)展契機。將該策略引入傳統(tǒng)的響應(yīng)性驅(qū)動領(lǐng)域，可以很好地設(shè)計和控制驅(qū)動器的初始形狀，進而得到的3D形狀的響應(yīng)性驅(qū)動器可以在刺激下進一步改變形狀(圖2c)，稱為4D形狀變換。

圖 2 剝離誘導(dǎo)形狀轉(zhuǎn)變策略用于3D電子器件和4D形狀變換驅(qū)動器的開發(fā)。

剝離誘導(dǎo)形狀轉(zhuǎn)變的策略適用于大多數(shù)具有塑性變形能力的材料和其他復(fù)雜體系，有望為3D和4D的柔性電子器件和刺激響應(yīng)驅(qū)動器帶來新的繁榮。