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  三維形態(tài)的電子/光電子器件具有優(yōu)于傳統(tǒng)二維形態(tài)器件的獨(dú)特性能，從而被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)等眾多領(lǐng)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(shù)和應(yīng)力組裝。相比于只能制備簡(jiǎn)單三維結(jié)構(gòu)的疊層法、只能用于特定材料的3D打印技術(shù)，應(yīng)力組裝可以將各種材料薄膜裝配成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)或器件。目前，應(yīng)力組裝最前沿的研究方向之一為機(jī)械屈曲組裝法 (mechanical buckling assembly)。然而，機(jī)械屈曲組裝法需要復(fù)雜的操作設(shè)備，并且其制備的三維器件不是獨(dú)立存在、而是綁定在一個(gè)笨重的彈性基底上，很大程度上限制其應(yīng)用。

  針對(duì)上述問(wèn)題，密蘇里大學(xué)林見課題組提出了一種刺激響應(yīng)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(yīng)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(yīng)性高分子基底將產(chǎn)生形變，使固定在上面的薄膜/平面器件屈曲，組裝成各種復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。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(shè)備；另一方面，由于響應(yīng)性高分子基底也可被制備成各種形狀、使其成為三維結(jié)構(gòu)的一部分，其組裝的器件是獨(dú)立存在的�；谶@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(cè)和溫度分布檢測(cè)[2]。

  作者首先通過(guò)激光直寫技術(shù) (direct laser writing, DLW) 制備出具有特定圖案的響應(yīng)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(yīng)性基底上。PNIPAM水凝膠具有熱響應(yīng)性，當(dāng)環(huán)境溫度高于其轉(zhuǎn)變溫度 (transition temperature, Ttrans) 后，PNIPAM水凝膠會(huì)將內(nèi)部的水分子排出去，導(dǎo)致體積收縮。綁定在其上的薄膜因此產(chǎn)生屈曲，從二維結(jié)構(gòu)組裝成三維結(jié)構(gòu) (圖a)。圖b和圖c分別為該組裝過(guò)程的實(shí)物照片和有限元(Finite element analysis, FEA)模擬結(jié)果。比例尺：5  mm。

  為了實(shí)現(xiàn)可控的三維組裝，作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬手段，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)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(guò)改變薄膜和基底形狀、薄膜層數(shù)，作者利用響應(yīng)性三維組裝法制備了多種復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。同時(shí)，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(jìn)一步將基于激光誘導(dǎo)石墨烯 (laser induced graphene, LIG) 的應(yīng)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(cè) (圖a-b) 和溫度分布檢測(cè) (圖c-d)。

  此項(xiàng)研究提供了一種制備三維結(jié)構(gòu)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(dú)立存在的、具有刺激響應(yīng)性和空間分辨率。該項(xiàng)研究將促進(jìn)三維器件在生物醫(yī)療、義肢、機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用。相關(guān)成果以 “Stimulus Responsive 3D Assembly for Spatially Resolved Bifunctional Sensors” 為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊Small上。論文第一作者為博士研究生張誠(chéng)，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