华中科技大学黄永安教授团队《Adv. Mater.》综述：柔性超材料电子- 大数跨境

两江科技评论

2022-04-02

导读：柔性超材料电子

2022年3月24日，华中科技大学机械学院/数字制造装备与技术国家重点实验室黄永安教授团队在国际顶级期刊《Advanced Materials》（影响因子：30.849）上在线发表了题为《Flexible Metamaterial Electronics》的综述文章。在前沿领域柔性电子（Flexible electronics）和超材料（Metamaterials）的研究基础上，提出了“柔性超材料电子（Flexible Metamaterial Electronics, FMEs）”的概念，讨论了超材料的超自然物理特性在柔性电子中的应用、前景及挑战。

柔性电子（Flexible electronics）能够突破经典硅基电子学的本征局限，可为后摩尔时代器件设计集成、能源革命、医疗技术变革等更新换代等提供创新引领，已经衍生出柔性显示/表皮电子/智能蒙皮等重大创新应用。过去二十年，柔性电子得到了广泛了研究，取得了巨大的研究进展，尤其是在柔性功能材料和可拉伸结构设计等主要分支。然而，到目前为止，柔性功能材料的使用仍受限于稳定性和可靠性；可拉伸结构设计如最具代表性的“岛-桥”结构，随着拉伸能力的大幅提升，逐渐接近其物理极限。换言之，想通过现有的、常规的材料或结构策略进一步提升柔性电子的性能越来越具有挑战性，成本也越来越高。

超材料（Metamaterials），拉丁语词根“meta-”表示“超出、另类”等含义。指的是通过人工结构实现超自然物理特性（光学、声学、机械、热学、电子学等）的一大类新型材料，而这些特性是自然界或化学合成材料没有的。超材料已经成为物理学、材料学和工程学的革命性前沿领域，正在成为一系列变革性技术的源头。根据超自然物理性质，超材料可大致分为两类：波动超材料（Wave-based metamaterials）和力学超材料（Mechanical metamaterials）。前者包括电磁超材料，声学超材料和弹性超材料，可以调控电磁波、声波和弹性波的传播。后者则与弹性常数（泊松比和模量）有关，侧重于静力学特性，例如剪纸/折纸超材料能实现二维到三维的构型转换、五模超材料具有高压缩-低剪切特性、拓扑超材料表现出自应力状态和畴壁等。目前，超材料在很多领域已经显示出创新性的应用，如电磁隐身、声学超透镜、可编程软体机器人、以及高性能柔性电子器件。

在柔性电子研究中引入超材料，利用其负泊松比、形状可编程、光调控等超自然物理特性，有利于突破现有方法的瓶颈。相关研究已经得到了广泛的报道，涌现出很多令人耳目一新的成果，例如基于拉胀超材料的电子皮肤和柔性应变传感器，基于剪纸/折纸超材料的电子复眼、基于光子晶体的电子皮肤、基于光学超表面的隐身设计等等。但是，这一新兴领域的研究方兴未艾，缺乏系统的、全面的、深入机理的指引。针对此现状，本文在之前工作的基础上，提出了“柔性超材料电子”（FMEs）的概念，并阐述了其机理、分类、特性、应用、挑战及可预见的发展方向。图1形象地给出了FMEs的概念、分类及代表性应用：1）柔性力学超材料电子（flexible mechanical metamaterial electronics, FMMEs），关注力学超材材料对柔性电子变形性能的提升和创新；2）柔性波动超材料电子（flexible wave-based metamaterial electronics, FWMEs），聚焦波动超材料对柔性电子功能性的提升和创新；3）柔性活性超材料电子（flexible active metamaterial electronics, FAMEs），在结构之外，单独讨论先进功能材料提供的额外机遇。

图1. 柔性超材料电子的概念、分类及代表性应用。

图2-图4分别给出了柔性力学超材料电子（FMMEs），柔性波动超材料电子（FWMEs），柔性活性超材料电子（FAMEs）的详细应用案例。图2展示了基于拉胀力学超材料（负泊松比）的柔性电子应用，图2a)-c)给出了三种常见拉胀超材料设计方法：Chiral, Re-entrant和Kirigami。图2d)-f)分别对应三种拉胀超材料的柔性电子应用：d) 变泊松比薄膜结构，e) 灵敏度增强的柔性应变传感器和f) 可自供电的柔性应变传感器。图3着重介绍了柔性光学超表面的应用，与柔性传感器结合，可构建隐身-传感多功能飞行器智能蒙皮。图4则是活性超材料的应用。图4a)-b)是基于石墨烯和钙钛矿的光学超材料器件，图c)-d)是磁控形状可编程力学超材料，图e)-f)是温控形状可编程力学超材料。

作为一个高度综合性的交叉领域，FMEs表现出与生俱来的复杂性和多样性，这对研究者知识体系的深度和广度提出了更高的要求。研究者需要同时了解柔性电子的性能需求和超材料所能提供的解决方案，并建立合适的桥梁。然而，不同的学科之间不可避免地表现出不同的倾向性。比如超材料的研究倾向于探索新的物理现象并深入研究其产生机理，而柔性电子的研究则更多地关注各种性能表征和实用功能。已经报道的FMEs只是冰山一角，这一新兴领域的巨大潜力还有待挖掘。概念上的突破、多学科交叉的研究和需求驱动的创新应用将是未来工作的关键。本文抛砖引玉，旨在引起广大研究者对柔性超材料电子这一新兴领域的兴趣。

华中科技大学机械学院江山博士后为本文第一作者，黄永安教授为本文通讯作者。

图2. 柔性拉胀超材料电子。a)-c) 三种常见拉胀超材料设计方法Chiral, Re-entrant和Kirigami。d)-f) 三种拉胀超材料对应的应用：d) 变泊松比薄膜结构，e) 灵敏度增强的柔性应变传感器和f) 可自供电的柔性应变传感器。

图3. 基于柔性光学超材料与柔性传感器的隐身-传感多功能智能蒙皮。

图4. 活性超材料。a)-b) 基于石墨烯和钙钛矿的光学超材料器件，c)-d) 磁控形状可编程力学超材料，e)-f) 温控形状可编程力学超材料。

原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202200070

作者简介

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通讯作者：黄永安，华中科技大学教授，国家杰出青年科学基金获得者，腾讯“科学探索奖”获得者。致力于柔性混合电子设计与制造研究，在柔性传感器、飞行器智能蒙皮、超材料等领域取得了丰富的研究成果，在Science Advances、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Energy、Small、Nature Communication等期刊发表SCI论文100余篇，出版中文著作2部、英文著作2部，获得授权国家发明专利70余项，获得湖北省自然科学一等奖、瑞士日内瓦国际发明金奖/特别金奖。