Kirigami‐Inspired Self‐Assembly of 3D Structures

ty10086 提交于 周四, 08/26/2021 - 12:47
文章英文标题
Kirigami‐Inspired Self‐Assembly of 3D Structures
正文
3D结构的自组装提供了一条有吸引力和可扩展的途径,实现可重构和功能能力的中尺度设备而无需人为干预。实现这一目标的一个常用方法是利用铰接结构的刺激响应折叠,这需要在铰接处集成不同的材料和/或几何布置。研究表明,在平面无铰双层薄膜中加入Kirigami切口可以按需生成复杂的三维形状。建立了非线性有限元模型,通过对平面、毫米尺度PDMS (聚二甲基硅氧烷)双分子层在有机溶剂中的溶胀实验,阐明了双分子层薄板的形变机理,并对预测结果进行了验证。在机械论理解的基础上,实验证明了Kirigami切割的简单双分子层转换为3D形状,如罗马字母(用来制作高级功能材料)和开放/封闭多面体结构。同时也展示了双层膜作为少绳光学超材料的一种可能应用,具有动态可调的光传输和反射行为。由于所提出的机械设计原则可应用于多种材料,这项研究为开发智能、无绳和可重构的多功能系统做出了广泛的贡献。
文章内容(英文)
Self‐assembly of 3D structures presents an attractive and scalable route to realize reconfigurable and functionally capable mesoscale devices without human intervention. A common approach for achieving this is to utilize stimuli‐responsive folding of hinged structures, which requires the integration of different materials and/or geometric arrangements along the hinges. It is demonstrated that the inclusion of Kirigami cuts in planar, hingeless bilayer thin sheets can be used to produce complex 3D shapes in an on‐demand manner. Nonlinear finite element models are developed to elucidate the mechanics of shape morphing in bilayer thin sheets and verify the predictions through swelling experiments of planar, millimeter‐scaled PDMS (polydimethylsiloxane) bilayers in organic solvents. Building upon the mechanistic understandings, The transformation of Kirigami‐cut simple bilayers into 3D shapes such as letters from the Roman alphabet (to make “ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS”) and open/closed polyhedral architectures is experimentally demonstrated. A possible application of the bilayers as tether‐less optical metamaterials with dynamically tunable light transmission and reflection behaviors is also shown. As the proposed mechanistic design principles could be applied to a variety of materials, this research broadly contributes toward the development of smart, tetherless, and reconfigurable multifunctional systems.
来源出处
Journal|[J]Advanced Functional MaterialsVolume 30, Issue 14. 2020. PP n/a-n/a
DOI
https://doi.org/10.1002/adfm.201909888

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