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  可重構(gòu)結(jié)構(gòu)廣泛應用于生物工程、軟體機器人和柔性電子等領(lǐng)域。在宏觀尺度，不同構(gòu)型之間的轉(zhuǎn)變可在熱、濕度、光、電磁場等外界激勵下完成。將這類可重構(gòu)結(jié)構(gòu)擴展到亞微米尺度，將使其在納米光學、微型傳感器、微納機器人等領(lǐng)域的應用成為可能。在亞微米尺度，隨著結(jié)構(gòu)表面積體積比的增加，表面間的范德瓦爾斯力將阻礙不同構(gòu)型之間的切換，因此，提高材料剛度將有效增強結(jié)構(gòu)的回復性能。然而，傳統(tǒng)的可重構(gòu)材料，其橡膠態(tài)儲存模量多在千帕到10兆帕范圍以內(nèi)。目前，能實現(xiàn)亞微米尺度可重構(gòu)功能的高剛度高回復性能可重構(gòu)材料依然缺乏。

 圖1. 高剛度可重構(gòu)納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計，材料表征和制造

  針對這一挑戰(zhàn)，近期研究人員開發(fā)了一種高剛度形狀記憶聚合物。他們將丙烯酸（acrylic acid），2-羥基-3-苯氧基丙基丙烯酸酯 （2-hydroxy-3-phenoxypropylacrylate）與二季戊四醇五/六丙烯酸酯(dipentaerythritol penta-/hexaacrylate)交聯(lián)聚合，獲得的形狀記憶聚合物在橡膠態(tài)和玻璃態(tài)分別具有大于90兆帕和5.2千兆帕的存儲模量。通過雙光子3D打印，該材料可加工出高寬比達到10的納米柱（圖1）。通過理論計算與實驗測試，他們實現(xiàn)了具有形狀記憶效應的高剛度納米柱在不同構(gòu)型之間的切換，而傳統(tǒng)的低剛度納米柱因為范德瓦爾斯力的影響無法由接觸構(gòu)型回復至原始構(gòu)型（圖2）。他們通過這種高剛度納米柱實現(xiàn)了21150 dpi分辨率的可重構(gòu)結(jié)構(gòu)色顯示（圖3）和高分辨率全息成像（圖4），其獨特性能也可應用于納米光學領(lǐng)域的其他方向，例如動態(tài)可重構(gòu)超表面、超透鏡、可調(diào)結(jié)構(gòu)光束等。作者相信該工作可促進不同領(lǐng)域可重構(gòu)器件的進一步小型化，具有巨大的潛在應用價值。

圖2. 高剛度和低剛度納米柱的回復性能研究

圖3. 高分辨率可重構(gòu)結(jié)構(gòu)色

圖4. 高分辨率可重構(gòu)全息成像

  以上成果近期發(fā)表于美國化學學會（ACS）旗下期刊Nano Letters。文章第一作者為新加坡科技設(shè)計大學研究員張旺博士，通訊作者為新加坡科技設(shè)計大學高級研究員王浩博士和Joel Yang教授。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c03007

  除此之外，Joel Yang教授課題組近年來在微納制造及微納光學領(lǐng)域取得了一系列研究成果，感興趣的讀者可前往課題組網(wǎng)站進一步了解交流。

  課題組鏈接：https://people.sutd.edu.sg/~joel_yang/

  下載：Stiff Shape Memory Polymers for High-Resolution Reconfigurable Nanophotonics