柔性二维材料的折纸技术实现材料性能定制的研究

With predefined creases of origami, one can fold flat sheets to create three-dimensional deformable structures. The origami-based patterns have inspired some fascinating applications, such as deployable solar panels, folded metamaterials, expandable stents, and origami lithium-ion batteries. However, these traditional methods of origami models usually produced on a macroscopic scale and need for predefined crease, which greatly limits its high flexibility, stretch and controllability characteristics. This project creatively incorporates the origami concept into the emerged two dimensional (2D) atomic crystalline films. Through mechanical engineering of macro-scale soft elastomeric substrates, we can create multiple mechanical instabilities in 2D films, such as wrinkles, buckling, ridges, crumples, and folds. The focus of this research project will be put on the studies of the intrinsic relationship between the mechanical instabilities and strain distribution in 2D films and their electronic structure, thermal transport behaviors, and optoelectronic properties. With origami technique, we will try to control the thermal conductivity, gas sensing, and photo response characteristics in soft 2D materials, thus to develop high-performance flexible and even stretchable devices like gas sensors, heat sinks, and photo detectors. With successful implementation of the research project, we believe that some important breakthroughs in 2D functional material-based devices will be achieved.

折纸技术是运用纸上预先定义的折痕，把纸折叠出多样化的可控三维可变形的结构。折纸的概念在国际上已产生了一些非常重要的应用，如太空中的太阳能电池板、表面超材料、血管支架和可展开的锂离子电池等。但这些传统折纸方法产生的模式通常在宏观尺度上，且需要有预定义的折痕，而这些要求大大限制了其高灵活性，可拉伸性和可控性的特点。本课题创新性地将折纸的概念拓展到二维原子晶体薄膜上，利用宏观尺度的柔性聚合物基底的机械控制在二维薄膜中形成的皱纹、屈曲、山脊、褶皱和折叠等跨尺度的表面力学失稳态。本研究重点研究二维薄膜中力学失稳态、应变分布、及其电子结构、热输运行为和光电特性之间的内在联系，实现对二维材料的热导率、气敏和光电响应等特性的精确可控调节，从而推动高性能的气敏传感器、散热片、光电探测器等一些新型柔性/可拉伸器件的研究。相信本课题的顺利实施，必将在基于二维功能材料的柔性器件的研究与应用上产生一些重要的突破。

活性软材料与纳米材料结合的研究已展现出一些非凡的性能和应用，但该领域面临的一个重大挑战是如何在大面积的二维功能材料中通过引入和控制一些新的力学失稳模式，产生一些新的功能和应用。针对这个科学问题，本项目研究了利用折纸技术引起的二维功能薄膜材料中的力学失稳态与应变分布之间的内在联系，及其导致的电子结构、热输运行为以及声、光、电特性的变化；证实了二维薄膜材料的力学失稳态与其热导行为之间的关系，从而达到通过宏观手段对纳米尺度的热传导行为的控制；证实了二维薄膜材料的力学失稳态与其电学和光学行为之间的关系；进一步研究发现了二维薄膜材料在新型柔性/可拉伸器件上的应用，并利用软材料的可逆变形，结合金纳米条带阵列、石墨烯、量子点、声子晶体、超表面等实现了可调等离激元器件、可调光子晶体界面态、可拉伸传感器、可调弹性波拓扑态、多功能的声学超表面器件、多模态柔性电子传感器等器件。本项目的相关研究结果累计在SCI刊物发表研究论文19篇（其中中科院一区论文11篇，包括一篇Nature子刊），EI论文1篇，已授权中国发明专利6项。本项目还培育了柔性超材料这个新的方向，与人体组织模量相匹配的软材料与特定的超构材料的结合将对面向人体健康信息的探测、传输、干预产生积极的影响，值得进一步的研究。