機械的に誘導された組み立て、独立

機械的に誘導された組み立て、独立
寄稿者: He Pei He Health

先端材料の複雑な三次元マイクロ/ナノ構造の形成を制御する能力は、幅広い研究分野において非常に重要です。最近、研究者らは、応力を解放した予歪弾性基板を、3次元構造および機能的マイクロデバイスの動的組み立てのための2次元前駆体として使用する新しい方法を開発しました。このアプローチの制限は、これらの構造を基板から解放すると、構成材料の弾性回復により元の 2D レイアウトに戻ってしまうことです。この問題を解決するために、ノースウェスタン大学のジョン・A・ロジャース教授を含む研究者らは、新しい方法を提案しました。彼らは、形状記憶ポリマーと類似の方法を使用して独立した 3D アーキテクチャを作成し、500、10、5 μm という小さな特徴サイズのデバイスを製造しました。この方法は、より大きなデバイスやより小さなデバイスに発展する可能性があります。この研究で準備された無線電子デバイスは、機能コンポーネントを SMP の 3D アーキテクチャに統合する能力を実証しています。定量的な機械モデリングと実験測定により、構造を制御して形状を固定し、構造を回復させて形状をプログラムできることが実証されています。

このような機能デバイスの製造は、圧縮座屈アプローチによって実現され、複数の構成と、ナノメートルからセンチメートルの長さスケールにわたる臨界寸法を含む幅広い材料組成が採用されています。この研究では、形状記憶ポリマーの形状記憶効果を利用して、1) 弾性圧縮座屈を使用して独立した 3D 微細構造を構築し、2) コンポーネントに激しい変形から回復する能力を与え、3) 構造の形状をプログラム的に変更します。


図 1. 機械的誘導によって組み立てられた 3 次元形状記憶ポリマーの微細構造。 a) フォトリソグラフィーと圧縮座屈による 3D メソ構造の製造プロセスの概略図。 b) さまざまな SMP 3D 微細構造の実験画像と有限要素解析結果。このスキームは、機能性材料の統合の有無にかかわらず、SMP で形成された 2D 前駆体の幾何学的変換から始まり、以前の研究と同様の方法を使用して 3D メソ構造に変換されます。生成された 3 次元メソ構造は、SMP のガラス転移温度を超える温度に加熱され、その後室温まで冷却されるため、アセンブリ プラットフォームから解放された後も固定された 3 次元形状を維持できます。この技術は、厚さがマイクロメートルの範囲、横方向の寸法がマイクロメートルからセンチメートルの範囲の SMP の広範囲の 3D 構造に適用可能であり、これらの特性は他の方法では再現が困難または不可能です。機能性材料や電子部品を2次元の前駆体構造上に集積することで、独立した3次元の機能デバイスが得られます。この研究成果は、ソフトロボティクス、フレキシブルエレクトロニクス、医療機器、微小電気機械システムなど、多くの分野で非常に優れた応用の見込みがあります。

参考文献:
Wang, X., et al., 形状記憶ポリマーによる機械的誘導アセンブリに基づく自立型 3D メソ構造、機能デバイス、および形状プログラム可能なシステム。Advanced Materials、2019 年 31(2): p. 1805615。

寄稿者: 何培和建康 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

形状記憶重合ポリマーをベースにした

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