“力学家访谈”掠影
2019年9月19日13:00，由力学技术研究院开展的力学家访谈，在IMT办公室进行。本期访谈的嘉宾是清华大学航天航空学院工程力学系张一慧副教授。IMT研究生和教师参与了本次访谈。
本次访谈，学生主要以张一慧副教授力学引导的微尺度三维结构组装这一研究为采访重点。采访内容如下：
问：根据您的研究，运用力学引导的微尺度三维结构组装是一大突破，请问您将力学与三维结构研究结合在一起的契机是什么？
答：我们需要辩证地看待问题。屈曲是一种稳定性的丧失，对于大型工程结构，通常希望避免屈曲发生。在不可控失稳情况下，工程结构通常会发生灾难性的坍塌而发生失效。从另一个角度看待失稳，若发生可控的屈曲，在屈曲的过程中能够有效控制屈曲变形的幅度。失稳就不会演变为一个不可控的灾变，而是在屈曲之后，渐进地发生后屈曲变形。如果能有效地利用屈曲，可能实现很大的工程价值。在细微观尺度，现有的大多方法都很难用于制备复杂的半导体器件。借助可控的力学屈曲，同时借助平面的微加工工艺，在容易实现的平面微电子器件基础上，通过压缩屈曲将其变形成三维，这是我们方法的核心思想。
问：请问这种微尺度结构组装新方法对材料有什么要求？
答: 我们发展的微尺度结构组装方法对材料没有严格的限制。如果材料是脆性的，在对它进行力学加载，需要对结构的几何尺寸进行有效的设计，进而控制材料内部的最大应力、最大应变不超过其许用值。这样才可以保障结构在从二维变成三维的过程中不发生失效。若材料本身是韧性的，不那么容易失效，那对它进行设计的过程中，尺寸的要求相对就不那么苛刻。总之，对于不同种类的材料，其设计依据有一定区别。
问：请问这种微尺度结构组装新方法相对于传统方法有什么优点？
答: 该领域面临的挑战，核心在于现在的方法很难制备复杂的高性能三维半导体结构，也很难更进一步制备具有复杂构型的三维微电子器件。举个例子，3D打印技术在近些年发展非常迅速，包括具有很高分辨率的双光子技术、多光子技术等等。这些方法面临的一个挑战就是，通常只是针对某些种类的材料来进行打印，在很细微的尺度很难直接打印无机半导体材料，尤其是单晶硅。另外，这些方法的制备速度目前也有待提高，尤其是利用精细化的双光子/多光子技术，形成大面积的微纳米结构需要耗费很长的时间。
问：请问您认为这项研究发现在今后的潜在影响会有哪些？您下一步的相关课题是什么？
答: 基于这项技术实现商用产品，还需要比较长的时间。目前，我们已经展示了一些初步的器件原型，相关的应用主要是在三个方向：
第一、三维的微电子器件，比如说4D天线，通过三维几何构型随时间逐渐的演化，其工作频率和方向性可依据需求进行编程和调控。
第二、MEMS器件。可以用它来进行能量收集，利用它一些稳态之间的跳变，可以使它作为能量收集器具有更宽的频带，更高效的能量收集。
第三、与生物组织、细胞集成的生医器件。生物组织、细胞，它们具有复杂的三维细微观结构。全方位地和这些生物组织进行交互作用，是非常重要的应用方向，将为基础医学研究提供一个非常重要的平台。
问：科学研究的思路并不是可以轻而易举获得的，请问张老师是如何找到研究的灵感？
答: 科学研究，没有捷径。需要广泛的了解、学习知识。可能看似跟研究方向没有很大关系的知识，也许会在某一个特定的时期发挥作用。比如，我们发展这套屈曲诱导的三维组装方法，不是既定的研究方向。我们原来关注的研究方向是柔性可拉伸电子器件，这些电子器件非常柔软、可变形，包括扭转、弯曲、拉伸等。如何把一些刚性的电子器件做成可拉伸、可变形的形态，是一个关键的科学问题。当时一个很直观的想法，是把一些导线做成弹簧的形状。但如何在非常小的尺度做金属弹簧，是我们面临的一个困难。非常幸运的是，以前在结构屈曲领域的积累刚好跟我所面临的问题结合，发现一种平面结构在简单压缩之后竟然会变成3D螺旋结构，而在这个发现的启发下，我们进行利用这种方法做出了几百种不同几何拓扑的3D结构，证明了该组装方法的普适性。
张一慧副教授分别从结构、材料、新方法运用前景提出了自己的看法。同时，针对学生科研能力、灵感方面进行了分享。参会学生受益匪浅，在对力学大师满怀敬意的同时，激发了科研兴趣。
采访人：陈品元
采访稿：李 翔
摄 影：李权威
当前位置: