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  1月29日，清華大學航天航空學院張一慧副教授課題組在《自然-材料》（Nature Materials）期刊以長文形式發表了題為《基于多穩態屈曲力學的可重構三維細微觀結構和微電子器件》（Morphable 3D mesostructures and microelectronic devices by multistable buckling mechanics）的研究論文，系統報道了一種利用彈性組裝平臺的變形路徑對三維細微觀結構幾何拓撲進行可逆調控的非線性屈曲力學新方法，進而設計并實現了自適應射頻電路、可隱身微型天線等非常規可重構器件。

  可重構三維結構在生醫器件、微機電系統、機器人和超材料等眾多領域具有廣泛應用，對科學研究和技術進步起到了關鍵的推動作用。然而，現有的可重構三維結構的成形技術較為局限，在結構尺度和材料類型這兩個關鍵問題上仍無法兼顧，主要體現在無法適用于微納米尺度或高性能電子材料，這在很大程度上限制了可重構三維微電子器件的發展。

  張一慧副教授課題組和美國西北大學約翰·羅杰斯教授（John A. Rogers）、黃永剛教授（清華大學“千人計劃”專家）課題組合作，創建出一種基于多穩態屈曲力學的可重構三維結構成形方法。該方法將二維薄膜圖案通過壓縮力的作用變形成目標三維結構，并通過改變壓縮變形的路徑實現三維結構在不同構型之間的可逆切換。這一技術不但能應用于多種特征尺度，而且與現代化微電子制備工藝相兼容，適用于導體、半導體、絕緣體等各種材料類型甚至集成電路系統的構建。

  在《自然材料》的論文中，該研究團隊闡述了多穩態屈曲力學方法的設計概念及三維可重構的力學機理，并在此基礎上建立了一套系統的可重構結構設計流程，通過二十多組不同結構構型的實驗對這一重構策略的可行性進行了驗證。根據該方法成形的可隱身微型天線，具有極大的通訊頻率范圍（6 GHz~30 GHz），并且可以實現工作和隱身兩種模式：在工作模式下，天線可以與外界進行通訊；而在隱身模式下，天線由于電磁屏蔽效應，其通訊效率大大降低，因而很難被外界探測到。

圖1：兩種可重構三維細微觀結構的重構過程（上圖展示了微型“章魚”與“蜘蛛”之間的可逆重構過程；下圖展示了微型“房子”與“籃子”之間的可逆重構過程）。圖案化的二維結構經歷雙向同時壓縮，變形為左側的“章魚”或“房子”型結構；經歷分布壓縮，則變形為右側的“蜘蛛”或“籃子”型結構。

圖2：六個可重構三維細微觀結構的結果。構型I對應基底雙向同時卸載時得到的組裝結果，構型II對應基底分布卸載時得到的組裝結果。前四個結構的比例尺表示400微米，其余表示4毫米。

  清華大學航院張一慧副教授、美國西北大學約翰·羅杰斯教授和黃永剛教授為本文的共同通訊作者。清華大學航院博士后付浩然和美國伊利諾伊大學博士生南科望為本文的第一作者。清華大學為本文的第一完成單位。該研究成果得到了國家自然科學基金項目、中組部青年千人計劃、科技部973計劃等項目的資助。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-017-0011-3