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目前的形狀轉化策略主要限于非均勻或響應性材料。而柔性電子器件的重要基底薄膜材料如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚四氟乙烯(PTFE)和聚酰亞胺(PI)都是塑性、均一且惰性的。因此，實現均勻的塑料薄膜的形狀轉變仍面臨巨大挑戰。

近日，新加坡南洋理工大學陳曉東教授團隊、高華健教授團隊和中國科學院理化技術研究所王樹濤研究員團隊合作開發了一種基于剝離的簡單有效的塑性膜材料的可控形狀轉變策略，適用于聚合物、金屬、纖維膜等具有塑性形變特征的材料，為柔性電子的2D向3D轉變提供了新方法。相關工作以“Shape morphing of plastic films”為題發表在Nature Communications上。

受生活中撕膠帶是膠帶卷曲的現象啟發，通過對剝離過程中薄膜的塑性應變進行控制，提出了一種簡單的將均勻惰性塑料薄膜轉變為獨立的三維框架的方法。剝離系統包括塑性薄膜、粘附層和基底(圖1a)。在剝離過程中，薄膜兩側產生不對稱的塑性應變，釋放后塑性應變被保留下來，從而使塑料薄膜發生彎曲(圖1a)。而塑料應變的不對稱程度可以通過調節剝離過程相關參數來調節，如剝離速度、粘附層厚度、薄膜厚度、剝落角度(φ)等。塑性應變的方向可以由偏移角(δ)來控控制，從而控制彎曲方向。調整這些參數可以將二維的塑性薄膜前驅體轉換為復雜的3D幾何形狀(圖1b, c)。這種剝離誘導的形狀變形策略適用于各種塑性材料，以及至少有一層作為塑性薄膜的多層膜。實驗結果也得到了理論模型和數值模擬的驗證和支持。

圖1 剝離誘導惰性塑性薄膜形狀轉變的普適性策略。

以塑料薄膜為基底，通過剝離誘導形狀轉變的策略，二維電路可以轉變成各種結構的三維電路，而電路電阻幾乎不變（圖2a）。借助其三維結構，電路也被賦予了更多功能，如高的拉伸性和拉伸下可旋轉的性質（圖2a）。平面塑性壓電聚合物體系也可以很容易地轉變為三維形狀，進而提高其振動靈敏度，并擴展了其可感知振動頻率范圍（圖2b）。這種剝離誘導的形狀轉變策略將為柔性電子領域帶來新的發展契機。將該策略引入傳統的響應性驅動領域，可以很好地設計和控制驅動器的初始形狀，進而得到的3D形狀的響應性驅動器可以在刺激下進一步改變形狀(圖2c)，稱為4D形狀變換。

圖 2 剝離誘導形狀轉變策略用于3D電子器件和4D形狀變換驅動器的開發。

剝離誘導形狀轉變的策略適用于大多數具有塑性變形能力的材料和其他復雜體系，有望為3D和4D的柔性電子器件和刺激響應驅動器帶來新的繁榮。