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将整个2D电路转移到任何光滑表面的方法

莱斯大学的科学家们创造了一种橡胶状的变形材料,可根据需要从一种复杂的形状转变为另一种形状。

壁虎的垫子“臭名昭着的粘脚”覆盖着刚毛 - 微观,毛发结构,其化学和物理成分和高度的灵活性使蜥蜴能够轻松地抓住墙壁和天花板。科学家们试图在实验室中用各种材料复制这种动态微观结构,包括液晶弹性体,这些材料是附着液晶基团的橡胶网络,决定了LCE可以移动和拉伸的方向。到目前为止,合成LCE大多只能在一维或两维中变形,限制了结构在整个空间中移动并呈现不同形状的能力。

如果感应物体的传感器可能是物体本身的一部分怎么办?莱斯大学的工程师相信他们有一个二维解决方案来做到这一点。由材料科学家Pulickel Ajayan和Jun Lou领导的稻米工程师已经开发出一种方法,可以使原子平面传感器与设备无缝集成,以报告他们所感知的内容。

由材料科学家Rafael Verduzco和研究生Morgan Barnes编写成聚合物的形状出现在环境条件下,并在加热时融化。这个过程也是相反的。

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现在,启发工程的工程与应用科学约翰·A·保尔森学院,一组来自哈佛大学的威斯研究所生物科学家已经网罗磁场来控制LCES的分子结构,创造微观三维聚合物的形状,可以是编程为响应多种类型的刺激而向任何方向移动。据PNAS报道,这项工作可能会产生许多有用的设备,包括太阳能电池板,它们会跟随太阳以改善能量捕获。

自从2004年引入石墨烯以来,电子活性二维材料已成为许多研究的主题。尽管它们经常被吹捧为它们的强度,但它们很难在不破坏它们的情况下移动到需要它们的地方。Ajayan和Lou团队以及Rice工程师Jacob Robinson的实验室,有一种新方法可以保持材料及其相关电路在弯曲或其他光滑表面移动时保持完整。

平稳的操作掩盖了纳米尺度的战斗,液晶和它们嵌入的弹性体争夺控制权。当冷却时,编程到液晶中的形状占主导地位,但是当加热时,晶体在橡胶带状弹性体内松弛,就像冰融化成水一样。

“这个项目的关键在于我们能够通过在3D空间中任意方向对齐液晶来控制分子结构,这使得我们几乎可以将任何形状编程到材料本身的几何形状中,”第一作者Yuxing Yao表示,谁是Wyss创始核心学院成员Joanna Aizenberg,博士实验室的研究生。由Yao和Aizenberg团队创建的微观结构由LCE铸成任意形状,可以根据热,光和湿度变形,并且其特定的重新配置由其自身的化学和材料特性控制。研究人员发现,通过暴露在合成它们时LCE的磁场前体,LCE内的所有液晶元素沿着磁场排列并在聚合物固化后保持这种分子排列。通过在此过程中改变磁场的方向,科学家们可以决定当加热到破坏其液晶结构取向的温度时,所得到的LCE形状将如何变形。当恢复到环境温度时,变形的结构恢复了它们的初始状态,

他们的工作成果出现在美国化学学会杂志ACS Nano上。莱斯团队通过制作一个10纳米厚的硒化铟光电探测器和金电极并将其放置在光纤上来测试这一概念。因为它非常接近,所以近场传感器有效地耦合了消逝场

在巴恩斯迄今为止制造的大部分样品中 - 包括面部,莱斯标志,乐高积木和玫瑰

材料在室温下具有复杂的形状,但是当加热到大约80度的转变温度时摄氏,它折叠成一张平板。当热量被移除时,形状会在几分钟内弹回。

尽管看起来很奇特,但这种材料显示出模仿生物的软机器人以及生物医学应用中的前景,这些机器人需要在体温下采用预编程形状的材料。

该研究在皇家化学学会期刊Soft Matter中有所描述。

“化学和生物分子工程,材料科学和纳米工程教授Verduzco说:”这些都是用两步化学制成的,已经做了很长时间。“人们一直专注于液晶的图案化,但他们没有考虑过这两种网络如何相互作用。

“我们认为,如果我们能够优化网络之间的平衡 - 使它们不会太僵硬,也不会太软

  • 我们可以获得这些复杂的形状变化。”

他说,液晶状态最容易编程。一旦材料在模具中成形,在紫外光下固化五分钟就可以确定结晶顺序。巴恩斯还制作了两种形状之间切换的样品。

她说:“而不是简单的单轴形状变化,你有一些延长和收缩的东西,我们能够拥有从2D形状到3D形状,或从一个3D形状到另一个3D形状的东西。”

实验室的下一个目标是降低转变温度。“体温激活为我们提供了更多应用,”巴恩斯说。她说,触摸时出现的触觉智能手机按钮或视觉障碍者的反应式盲文文本都可以触及。

她还想开发一种对光而不是热反应的变体。“我们希望让它具有照片响应性,”巴恩斯说。“不是加热整个样品,而是只激活你想要控制的液晶弹性体的一部分。这将是一种更容易控制软机器人的方法。”

这种编程的形状变化可以用于创建仅在加热到特定温度时显示的加密消息,用于微小软机器人的致动器,或者可以打开和关闭粘性的粘合材料。该系统还可以使形状在通常需要输入一些能量来实现的方向上自动弯曲。例如,LCE板不仅经历了“传统的”平面外弯曲,而且还经历了面内弯曲或扭曲,伸长和收缩。另外,通过在聚合期间将LCE结构的不同区域暴露于多个磁场,然后在加热时在不同方向上变形,可以实现独特的运动。该团队还能够通过在聚合期间将光敏交联分子结合到结构中来对LCE形状进行编程以响应光重新配置。然后,当从某个方向照射结构时,面向光的一侧收缩,使整个形状朝向光弯曲。这种类型的自调节运动允许LCE响应于其环境而变形并且不断地重新定向以自主地跟随光。

  • 振荡的电磁波穿过光纤表面 - 并准确地检测到内部信息的流动。这样做的好处是,这些传感器现在可以嵌入到这样的光纤中,它们可以在不增加重量或阻碍信号流的情况下监控性能。“本文提出了在实际应用中应用2D设备的几种有趣的可能性,”Lou说。“例如,海底的光纤长达数千英里,如果出现问题,很难知道它发生在哪里。如果你将这些传感器放在不同的位置,你就可以感受到光纤的损坏。 “

另外,可以利用热响应和光响应特性来创建LCE,使得单材料结构现在能够具有多种形式的运动和响应机制。这些多响应LCE的一个令人兴奋的应用是创建覆盖有微结构的太阳能电池板,当它像向日葵一样在天空中移动时转向跟随太阳,从而导致更有效的光捕获。该技术还可以构成自动源跟踪无线电,多级加密,传感器和智能建筑的基础。“我们的实验室目前有几个正在进行的项目,我们正在努力控制这些LCE的化学反应,以实现独特的,以前看不见的变形行为,因为我们相信这些动态生物启发结构有可能在许多领域中得到应用,” Aizenberg说,他也是SEAS的Amy Smith Berylson材料科学教授。

Lou说,实验室已经擅长将不断增加的二维材料表从一个表面转移到另一个表面,但添加电极和其他组件使这一过程变得复杂。“想想一个晶体管,”他说。“它的顶部有源极,漏极和栅极以及电介质,所有这些都必须完好无损地传输。这是一个非常大的挑战,因为所有这些材料都是不同的。”

“询问有关自然如何运作以及是否有可能在实验室中复制生物结构和过程的基本问题是Wyss研究所价值观的核心,并且通常可以带来创新,不仅符合大自然的能力,而且可以改进创造新的材料和设备,否则就不会存在,“威斯研究所创始主任唐纳德英格伯博士说,他也是哈佛医学院血管生物学的犹大民俗教授和波士顿儿童医院的血管生物学项目。 ,以及SEAS的生物工程教授。该论文的其他作者包括James Waters,Ph.D。和Anna Balazs,博士。来自匹兹堡大学;Anna Schneidman,博士,崔嘉熙,博士,王og光,博士,哈佛SEAS的Nikolaj Mandzberg,以及哈佛大学化学系的Shucong Li。该研究得到了能源部和DARPA的支持。

原始2D材料通常在顶部用一层聚甲基丙烯酸甲酯移动,而Rice研究人员使用该技术。但是他们需要一个坚固的底层,不仅可以在移动过程中保持电路完好无损,而且在将设备连接到目标之前也可以将其移除。

理想的解决方案是聚二甲基戊二酰亚胺,它可以用作器件制造平台,在转移到靶材之前很容易被蚀刻掉。“我们花了相当长的时间来开发这种牺牲层,”Lou说。PMGI似乎适用于任何2D材料,因为研究人员也成功地用二硒化钼和其他材料进行了实验。到目前为止,莱斯实验室只开发了无源传感器,但研究人员相信他们的技术将使有源传感器或设备成为电信,生物传感,等离子体和其他应用的可能。

水稻研究生泽泽金是该论文的第一作者。合着者是赖斯研究生范晔,帅佳,梁良亮和博士后研究员张翔;赖斯校友现任佐治亚州立大学助理教授的Sidong Lei和赖斯材料科学与纳米工程研究教授Robert Vajtai。Ajayan是Rice的材料科学和纳米工程系主任,Benjamin M.和Mary Greenwood Anderson工程学教授和化学教授。Lou是材料科学和纳米工程的教授。罗宾逊是电气和计算机工程的助理教授。该研究得到了空军科学研究办公室,韦尔奇基金会,赖斯IDEA和功能加速纳米材料工程的支持,该工程是由微电子高级研究公司和国防先进公司赞助的半导体技术高级研究网络的六个中心之一。研究项目机构。

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