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  三維形態的電子/光電子器件具有優于傳統二維形態器件的獨特性能，從而被廣泛應用于機器人、生物醫學、微機電系統等眾多領域。用于三維器件制備或裝配的方法主要包括疊層法、3D打印技術和應力組裝。相比于只能制備簡單三維結構的疊層法、只能用于特定材料的3D打印技術，應力組裝可以將各種材料薄膜裝配成復雜的三維結構或器件。目前，應力組裝最前沿的研究方向之一為機械屈曲組裝法 (mechanical buckling assembly)。然而，機械屈曲組裝法需要復雜的操作設備，并且其制備的三維器件不是獨立存在、而是綁定在一個笨重的彈性基底上，很大程度上限制其應用。

  針對上述問題，密蘇里大學林見課題組提出了一種刺激響應性三維組裝法(responsive 3D assembly)[1]。該課題組將具有特定圖案的薄膜或平面器件選擇性地固定在刺激響應性高分子 (responsive polymers) 基底上。在外界刺激下（如光、熱、氣體分子等），響應性高分子基底將產生形變，使固定在上面的薄膜/平面器件屈曲，組裝成各種復雜的三維結構。一方面，這種組裝方法只依賴外界刺激，不需要人為地操作任何設備；另一方面，由于響應性高分子基底也可被制備成各種形狀、使其成為三維結構的一部分，其組裝的器件是獨立存在的。基于這種組裝方法，該課題組制備了一種具有空間分辨率的多功能三維傳感器，可以用于多方位的觸覺檢測和溫度分布檢測[2]。

  作者首先通過激光直寫技術 (direct laser writing, DLW) 制備出具有特定圖案的響應性高分子基底 (聚異丙基丙烯酰胺水凝膠，PNIPAM hydrogel) 和薄膜 (2D film)，然后將薄膜選擇性的綁定在響應性基底上。PNIPAM水凝膠具有熱響應性，當環境溫度高于其轉變溫度 (transition temperature, Ttrans) 后，PNIPAM水凝膠會將內部的水分子排出去，導致體積收縮。綁定在其上的薄膜因此產生屈曲，從二維結構組裝成三維結構 (圖a)。圖b和圖c分別為該組裝過程的實物照片和有限元(Finite element analysis, FEA)模擬結果。比例尺：5  mm。

  為了實現可控的三維組裝，作者通過實驗和模擬手段，發現可以通過溫度控制PNIPAM水凝膠的收縮率(shrinkage strain，圖a-b)，從而控制薄膜的屈曲程度(curving angle，圖c)。比例尺：5  mm。

  可以通過改變薄膜和基底形狀、薄膜層數，作者利用響應性三維組裝法制備了多種復雜三維結構。同時，這種方法適用于多種材料，如SU-8光刻膠 (圖a-c)，聚酰亞胺 (圖d-f)等。比例尺：5  mm。

  作者進一步將基于激光誘導石墨烯 (laser induced graphene, LIG) 的應變傳感器 (圖b) 和溫度傳感器(圖c) 陣列組裝成多功能三維傳感器 (圖a)。比例尺：5  mm。

  這種多功能三維傳感器可以用于多方位的觸覺檢測 (圖a-b) 和溫度分布檢測 (圖c-d)。

  此項研究提供了一種制備三維結構的新方法。該方法可以適用于多種材料，并且制備出的三維器件是獨立存在的、具有刺激響應性和空間分辨率。該項研究將促進三維器件在生物醫療、義肢、機器人等領域的應用。相關成果以 “Stimulus Responsive 3D Assembly for Spatially Resolved Bifunctional Sensors” 為題發表在國際著名期刊Small上。論文第一作者為博士研究生張誠，通訊作者為林見教授。

  論文鏈接:

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

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