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密苏里大学林见课题组:刺激响应性三维组装及其在高空间分辨率传感器上的应用
2019-11-21  来源:高分子科技

  三维形态的电子/光电子器件具有优于传统二维形态器件的独特性能,从而被广泛应用于机器人、生物医学、微机电系统等众多领域。用于三维器件制备或装配的方法主要包括叠层法、3D打印技术和应力组装。相比于只能制备简单三维结构的叠层法、只能用于特定材料的3D打印技术,应力组装可以将各种材料薄膜装配成复杂的三维结构或器件。目前,应力组装最前沿的研究方向之一为机械屈曲组装法 (mechanical buckling assembly)。然而,机械屈曲组装法需要复杂的操作设备,并且其制备的三维器件不是独立存在、而是绑定在一个笨重的弹性基底上,很大程度上限制其应用。

  针对上述问题,密苏里大学林见课题组提出了一种刺激响应性三维组装法(responsive 3D assembly)[1]。该课题组将具有特定图案的薄膜或平面器件选择性地固定在刺激响应性高分子 (responsive polymers) 基底上。在外界刺激下(如光、热、气体分子等),响应性高分子基底将产生形变,使固定在上面的薄膜/平面器件屈曲,组装成各种复杂的三维结构。一方面,这种组装方法只依赖外界刺激,不需要人为地操作任何设备;另一方面,由于响应性高分子基底也可被制备成各种形状、使其成为三维结构的一部分,其组装的器件是独立存在的。基于这种组装方法,该课题组制备了一种具有空间分辨率的多功能三维传感器,可以用于多方位的触觉检测和温度分布检测[2]。

  作者首先通过激光直写技术 (direct laser writing, DLW) 制备出具有特定图案的响应性高分子基底 (聚异丙基丙烯酰胺水凝胶,PNIPAM hydrogel) 和薄膜 (2D film),然后将薄膜选择性的绑定在响应性基底上。PNIPAM水凝胶具有热响应性,当环境温度高于其转变温度 (transition temperature, Ttrans) 后,PNIPAM水凝胶会将内部的水分子排出去,导致体积收缩。绑定在其上的薄膜因此产生屈曲,从二维结构组装成三维结构 (图a)。图b和图c分别为该组装过程的实物照片和有限元(Finite element analysis, FEA)模拟结果。比例尺:5  mm。

  为了实现可控的三维组装,作者通过实验和模拟手段,发现可以通过温度控制PNIPAM水凝胶的收缩率(shrinkage strain,图a-b),从而控制薄膜的屈曲程度(curving angle,图c)。比例尺:5  mm。

  可以通过改变薄膜和基底形状、薄膜层数,作者利用响应性三维组装法制备了多种复杂三维结构。同时,这种方法适用于多种材料,如SU-8光刻胶 (图a-c),聚酰亚胺 (图d-f)等。比例尺:5  mm。

  作者进一步将基于激光诱导石墨烯 (laser induced graphene, LIG) 的应变传感器 (图b) 和温度传感器(图c) 阵列组装成多功能三维传感器 (图a)。比例尺:5  mm。

  这种多功能三维传感器可以用于多方位的触觉检测 (图a-b) 和温度分布检测 (图c-d)。

  此项研究提供了一种制备三维结构的新方法。该方法可以适用于多种材料,并且制备出的三维器件是独立存在的、具有刺激响应性和空间分辨率。该项研究将促进三维器件在生物医疗、义肢、机器人等领域的应用。相关成果以 “Stimulus Responsive 3D Assembly for Spatially Resolved Bifunctional Sensors” 为题发表在国际著名期刊Small上。论文第一作者为博士研究生张诚,通讯作者为林见教授

  论文链接:

  [1]https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b14887

  [2]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.201904224

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