来源:Nature Communications 发布时间:2020/1/15 10:51:37
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纳米薄膜的智能卷曲折纸 | Nature Communications

论文标题:Microdroplet-guided intercalation and deterministic delamination towards intelligent rolling origami

期刊:Nature Communications

作者:Borui Xu, Xinyuan Zhang et.al

发表时间:2019/11/04

数字识别码:10.1038/s41467-019-13011-w

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各种功能材料的三维微纳结构在微纳机电系统、微型机器人、超材料等领域都有着重要的应用。在各种三维微纳结构的制备方法中,利用卷曲行为进行的折纸技术可以很方便地将设计好的平面薄膜转变成三维的立体微纳结构。由此而构建的微纳米管或弹簧结构已在光学、电学和生物医药领域展现出其独特的应用潜力。因此,如何按照我们的需求制备结构可控的卷曲三维微纳结构就成为了进一步实现应用和探索的重中之重。当下,研究者们已经发展出了各种方式去实现薄膜的定向剥离和卷曲,包括设计非对称的材料体系、应力结构和平面图形。然而这些方法对于材料和形状都有着或多或少的限制,也难以实现对卷曲行为的精确控制。

近期,复旦大学材料科学系的梅永丰教授等Nature Communications上发表题为“Microdroplet-guided intercalation and deterministic delamination towards intelligent rolling origami”的文章中,利用微液滴触发的薄膜剥离与卷曲行为提出了一种简便的卷曲三维微纳结构的制备方法,并证实了这一方法广泛的材料兼容性、规模化制备能力和对卷曲行为的精确控制能力。

(a)剥落的墙纸(左)与真空腔体中脱附的薄膜(右);(b)基于离子插层剥离二维材料(上)和液体插层制备微纳结构(下)的流程示意图;(c)玻璃基底上的卷曲管状微纳结构阵列的SEM图;(d)不同卷曲三维微纳结构的光学显微图;(e)智能双管催化微纳马达的设想架构,插图为双管微纳马达的SEM图。

在日常生活中,我们常常会发现那些长期处在潮湿环境中的墙纸很容易发生开裂并从墙上自然剥离,这是墙纸与墙之间的粘附力减弱所导致的(图1a-i)。而在实验室中也存在一个类似的现象,我们经常能发现在物理气相沉积的过程中真空腔体的铝箔上会出现弯曲的薄膜(图1a-ii)。从这一宏观世界和微观世界的联系中,我们想到可以用一种全新的方式实现纳米薄膜的剥离,避免薄膜在干法或湿法腐蚀下层牺牲层的过程中发生不可预计的物理破坏和化学反应。

近年来,人们使用基于离子插层的剥离法作为一种自上而下的技术制备二维材料(图1b上图)。在液体环境中,离子从层与层之间插入,使层间距增大,层间粘附力减弱,从而降低剥离所需的能量势垒。如果使用液滴替代离子,则这一剥离技术可以进一步应用于沉积得到的固体薄膜上。

首先,我们利用真空沉积技术在基底上沉积具有内应变梯度的固体薄膜体系,为了减小纳米薄膜与基底之间的黏附,我们设计了预沉积层作为第一层沉积薄膜以与基底形成范德瓦尔斯结合。待沉积完成后直接在表面滴加一滴液体(如水)完成制备过程。液体在扩散过程中插入预沉积层与基底之间,从而克服薄膜剥离的能量势垒实现薄膜的自发剥离与卷曲(图1b下图)。因此,液滴一旦接触图形化纳米薄膜的边界,即可触发薄膜的自卷曲行为,实现在同一时间大规模制备尺寸相同的管状三维微纳结构阵列(图1c)。此外,我们通过研究各种基底与预沉积层材料的组合,证明了这项自卷曲技术的普适性。

其次,有了上述的自发剥离方法,我们可以通过进一步选择微液滴与纳米薄膜的接触点,精确控制薄膜的自卷曲方向。例如,由平行四边形的纳米薄膜能够制备管状和螺距不同的弹簧三维微纳结构(图1d)。与之相对的,在传统的微纳加工方法中,薄膜剥离是建立在腐蚀下层牺牲层的基础上,难以实现这样的精确控制。同样,我们还通过准静态有限元分析模型为结构设计提供了一个可靠的可视化预期模型。

通过进一步与图形设计相结合,我们提出并制备了更精细的自卷曲微纳结构,具有更广泛的应用范围。例如,我们使用改进的制备方法构建了复杂双管结构的微纳马达(图1e)。利用这种技术智能化地构建自卷曲微纳结构,未来可获得结构更复杂、功能更先进的微纳马达。这样高度集成的微系统由催化驱动马达、集成电路控制器、为集成电路供电的电池、通信天线、环境探测的传感器以及功能化组件等组成。这一工程化设计双管微结构预期将满足一个高效智能的微纳马达所需的各种要求。

有关我们研究方向的更多信息,请访问课题组网站:http://nanomem.fudan.edu.cn/

摘要:Three-dimensional microstructures fabricated by origami, including folding, rolling and buckling, gain great interests in mechanics, optics and electronics. We propose a general strategy on on-demand and spontaneous rolling origami for artificial microstructures aiming at massive and intelligent production. Deposited nanomembranes are rolled-up in great amount triggered by the intercalation of tiny droplet, taking advantage of a creative design of van der Waals interaction with substrate. The rolling of nanomembranes delaminated by liquid permits a wide choice in materials as well as precise manipulation in rolling direction by controlling the motion of microdroplet, resulting in intelligent construction of rolling microstructures with designable geometries. Moreover, this liquid-triggered delamination phenomenon and constructed microstructures are demonstrated in the applications among vapor sensing, microresonators, micromotors, and microactuators. This investigation offers a simple, massive, low-cost, versatile and designable construction of rolling microstructures for fundamental research and practical applications.

(来源:科学网)

 
 
 
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