自然界中植物有機體的運動分為向性運動和感性運動。向性運動時時刻刻都在進行，例如：卷鬚植物的旋轉環繞生長，這類運動很慢，往往需要幾天甚至更久的時間才能顯著觀察得到。相反，感性運動是植物對外界刺激產生方向性無關的機械運動響應，這類運動過程非常迅速，往往在幾秒鐘內就可完成。典型的感性運動植物有含羞草，鳳仙花孢子，捕蠅草，它們透過感性運動實現防禦、繁殖和捕食的目的。隱藏在感性運動的物理機制是高斯曲率保護定理，在該理論中，可展平面在沒有明顯的拉伸或壓縮的情況下，高斯曲率保持為零。這意味著，無論你如何彎曲一個平面，它總有一個方向的曲率為零。因此，你也可以透過在一個方向摺疊平面而迫使其在另一個方向上變平。利用這種機制，植物可以在幾秒鐘或更短的時間內實現快速的機械運動。

近日，復旦大學材料科學系梅永豐課題組在《自然通訊》（Nature Communications）上發表題為《三維微型結構在高斯保護下的非易失性變形及其在雙功能電子領域的應用》（“Gaussian-Preserved, Non-Volatile Shape Morphing in Three-Dimensional Microstructures for Dual-Functional Electronic Devices”）的文章，論文主要由田子傲副研究員，胥博瑞博士後和萬廣超博士合作完成，該工作得到美國達特茅斯塞耶工程學院陳資副教授和中科院微系統所狄增峰研究員的大力支援。

研究團隊受到宏觀自然界植物感性運動的啟發，將高斯保護機制運用到微納結構操控領域，實現了快速、非易失性、可重構和可逆的微納結構變形。文中模仿了自然界中三種典型的感性運動，如圖1(a)和1（b）所示。在微納尺度下，基於高斯保護機制，對雙層智慧材料VO2刺激響應功能薄膜引入Cr“摺痕”，誘導薄膜按照特定方向運動，並儲存能量，形成非易失結構。透過機械或熱刺激，儲存的能量被快速釋放，在4.5微秒內可以實現不同結構之間的轉換。進一步，透過對“摺痕”結構的設計，可以實現純彎曲、反對稱彎曲和交叉彎曲，如圖1（b）所示。

圖1(a)三種植物形態變形的概念概述，以及(b)相應的人造微納結構的形態變形。(c)隱蔽天線。左圖分別為I型和II型天線的SEM影象。右圖分別顯示了形狀I和形狀II相對於頻率的回波損耗(S11)。(d)雙功能開關。左圖分別為I型和II型開關的SEM影象。右圖顯示了以鐳射照射作為開關的通斷電流變化。紅色線和藍色線分別代表形狀I和形狀II。

研究團隊將微納尺度下的結構變形應用於微電子領域，以解決電子器件功能多樣性的難題。結合智慧材料VO2相變的電學特性和物理結構變形的結構特性，成功製備出如圖1 (c)和(d)所示的雙功能瞬態電子器件。天線能將電磁波從傳導元件傳送到空間，其效能在很大程度上取決於其物理幾何形狀。圖1 (c)顯示的是一個可隱藏天線，其工作頻率會因形狀變形而改變。形狀由II型變為I型，工作頻率由47.4 GHz變為48 GHz，反射係數降至-4 dB以下。在同一材料系統中實現了天線的“隱藏”和“出現”。另一個例子是如圖1 (d)所示的雙功能MEMS開關。兩種型別的開關在光刺激下的響應表現出不同的開關比，說明雙功能開關能夠更靈活地調控電路。該工作為“超越摩爾”（More than Moore）的路線圖提供了多樣化的製造正規化。

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https://doi.org/10.1038/s41467-020-20843-4