納米薄膜的智能捲曲摺紙
原文以 Microdroplet-guided intercalation and deterministic delamination towards intelligent rolling origami 為標題發布在 Nature Communications 期刊
各種功能材料的三維微納結構在微納機電系統、微型機器人、超材料等領域都有著重要的應用。在各種三維微納結構的製備方法中，利用捲曲行為進行的摺紙技術可以很方便地將設計好的平面薄膜轉變成三維的立體微納結構。由此而構建的微納米管或彈簧結構已在光學、電學和生物醫藥領域展現出其獨特的應用潛力。因此，如何按照我們的需求製備結構可控的捲曲三維微納結構就成為了進一步實現應用和探索的重中之重。當下，研究者們已經發展出了各種方式去實現薄膜的定向剝離和捲曲，包括設計非對稱的材料體系、應力結構和平面圖形。然而這些方法對於材料和形狀都有著或多或少的限制，也難以實現對捲曲行為的精確控制。
近期，復旦大學材料科學系的梅永豐教授等在Nature Communications上發表題為「Microdroplet-guided intercalation and deterministic delamination towards intelligent rolling origami」的文章中，利用微液滴觸發的薄膜剝離與捲曲行為提出了一種簡便的捲曲三維微納結構的製備方法，並證實了這一方法廣泛的材料兼容性、規模化製備能力和對捲曲行為的精確控制能力。
圖1 (a)剝落的牆紙（左）與真空腔體中脫附的薄膜（右）；(b)基於離子插層剝離二維材料（上）和液體插層製備微納結構（下）的流程示意圖；(c)玻璃基底上的捲曲管狀微納結構陣列的SEM圖；(d)不同捲曲三維微納結構的光學顯微圖；(e)智能雙管催化微納馬達的設想架構，插圖為雙管微納馬達的SEM圖。
在日常生活中，我們常常會發現那些長期處在潮濕環境中的牆紙很容易發生開裂並從牆上自然剝離，這是牆紙與牆之間的粘附力減弱所導致的（圖1a-i）。而在實驗室中也存在一個類似的現象，我們經常能發現在物理氣相沉積的過程中真空腔體的鋁箔上會出現彎曲的薄膜（圖1a-ii）。從這一宏觀世界和微觀世界的聯繫中，我們想到可以用一種全新的方式實現納米薄膜的剝離，避免薄膜在干法或濕法腐蝕下層犧牲層的過程中發生不可預計的物理破壞和化學反應。
近年來，人們使用基於離子插層的剝離法作為一種自上而下的技術製備二維材料（圖1b上圖）。在液體環境中，離子從層與層之間插入，使層間距增大，層間粘附力減弱，從而降低剝離所需的能量勢壘。如果使用液滴替代離子，則這一剝離技術可以進一步應用於沉積得到的固體薄膜上。
首先，我們利用真空沉積技術在基底上沉積具有內應變梯度的固體薄膜體系，為了減小納米薄膜與基底之間的黏附，我們設計了預沉積層作為第一層沉積薄膜以與基底形成范德瓦爾斯結合。待沉積完成後直接在表面滴加一滴液體（如水）完成製備過程。液體在擴散過程中插入預沉積層與基底之間，從而克服薄膜剝離的能量勢壘實現薄膜的自發剝離與捲曲（圖1b下圖）。因此，液滴一旦接觸圖形化納米薄膜的邊界，即可觸發薄膜的自捲曲行為，實現在同一時間大規模製備尺寸相同的管狀三維微納結構陣列（圖1c）。此外，我們通過研究各種基底與預沉積層材料的組合，證明了這項自捲曲技術的普適性。
其次，有了上述的自發剝離方法，我們可以通過進一步選擇微液滴與納米薄膜的接觸點，精確控制薄膜的自捲曲方向。例如，由平行四邊形的納米薄膜能夠製備管狀和螺距不同的彈簧三維微納結構（圖1d）。與之相對的，在傳統的微納加工方法中，薄膜剝離是建立在腐蝕下層犧牲層的基礎上，難以實現這樣的精確控制。同樣，我們還通過准靜態有限元分析模型為結構設計提供了一個可靠的可視化預期模型。
通過進一步與圖形設計相結合，我們提出並製備了更精細的自捲曲微納結構，具有更廣泛的應用範圍。例如，我們使用改進的製備方法構建了複雜雙管結構的微納馬達（圖1e）。利用這種技術智能化地構建自捲曲微納結構，未來可獲得結構更複雜、功能更先進的微納馬達。這樣高度集成的微系統由催化驅動馬達、集成電路控制器、為集成電路供電的電池、通信天線、環境探測的感測器以及功能化組件等組成。這一工程化設計雙管微結構預期將滿足一個高效智能的微納馬達所需的各種要求。
Nature Communications
doi:10.1038/s41467-019-13011-w
