張一慧：利用2D結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)的制備

通訊員 楊 帆

張一慧（Yihui Zhang），1986年出生于安徽省南陵縣，清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系副教授。2006年在南京航空航天大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2008年和2011年在清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系分別獲得碩士和博士學(xué)位，清華大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文獲得者。2011年至2015年在美國(guó)西北大學(xué)土木與環(huán)境工程系先后擔(dān)任博士后研究員和助理研究教授。研究領(lǐng)域?yàn)榍W(xué)及其新興應(yīng)用，柔性可延展電子器件，仿生軟物質(zhì)，智能材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)。2016年入榜美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）主辦的《技術(shù)評(píng)論》（Technology Review）公布的全球35名35歲以下“世界杰出青年創(chuàng)新家”（TR35）名單。

張一慧在實(shí)驗(yàn)室。

 “我們這項(xiàng)通過(guò)對(duì)平面結(jié)構(gòu)加載得到空間結(jié)構(gòu)的工作，為3D結(jié)構(gòu)的制備提供了一種新的方法。”清華大學(xué)航天航空學(xué)院副教授張一慧正在展示“彈出式”三維快速成型技術(shù)。由于這項(xiàng)技術(shù)，他入榜了美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）主辦的《技術(shù)評(píng)論》（Technology Review）在8月23日公布的2016年度TR35，即全球35名35歲以下“世界杰出青年創(chuàng)新家”名單。8月31日上午，校友總會(huì)在他的辦公室里對(duì)他進(jìn)行了采訪。

“清華為我提供了一個(gè)好的平臺(tái)”

2006年，已從南京航空航天大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位的張一慧，來(lái)到清華大學(xué)航天航空學(xué)院攻讀碩士學(xué)位。“剛到清華的時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)周圍的每一位同學(xué)都非常優(yōu)秀。”他笑著回憶起十年前的時(shí)光，“不過(guò)這也能讓我時(shí)刻鞭策自己。”除此之外，他還感受到清華更系統(tǒng)、更專業(yè)、更深入的基礎(chǔ)知識(shí)訓(xùn)練與科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)。“清華的課程要求很高，但是這些嚴(yán)格的訓(xùn)練為我之后做研究打下了很重要的基礎(chǔ)。”讓張一慧記憶猶新的是余壽文教授的《斷裂力學(xué)》課，“余教授講課深入淺出，把比較難的概念講得讓我們很容易理解和應(yīng)用，特別有名師風(fēng)范！”

張一慧在清華度過(guò)了五年時(shí)光，2008年獲得碩士后，又在本系攻讀博士學(xué)位。“清華為我提供了一個(gè)很好的平臺(tái)，使我能夠和很多老師交流具體的研究思想。”碩士期間，在科研剛剛起步之際，他曾經(jīng)得到了邱信明老師的許多指導(dǎo)，使他對(duì)于問(wèn)題的想法由淺入深、由粗到細(xì)。攻讀博士期間，他在劉彬教授和導(dǎo)師方岱寧教授的共同指導(dǎo)下，將劉彬教授所創(chuàng)的原子級(jí)有限元方法應(yīng)用到鐵電智能材料，在保證計(jì)算精度的前提下，計(jì)算速度比以往的力電耦合分子動(dòng)力學(xué)方法提高了一百多倍。

對(duì)他影響最深的還是他碩士和博士期間的導(dǎo)師方岱寧教授。在碩士期間，張一慧研究的是一個(gè)偏于工程的課題，具備多年科研經(jīng)驗(yàn)的方教授認(rèn)為，該課題的基礎(chǔ)研究成果頗豐，發(fā)展空間有限，因此建議并支持他在博士期間轉(zhuǎn)變方向，研究鐵電智能材料的多尺度力學(xué)行為，深入探索其中的物理、力學(xué)的復(fù)雜耦合問(wèn)題。也正是這個(gè)課題，成就了他的那一篇清華大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文。

微型硅條帶由二維變形為三維結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

新型三維結(jié)構(gòu)制備方法，讓制造更簡(jiǎn)單

2011年，獲得了清華大學(xué)工學(xué)博士的張一慧遠(yuǎn)赴美國(guó)西北大學(xué)做博士后，主要研究方向是柔性可拉伸電子器件，這個(gè)領(lǐng)域的核心問(wèn)題是怎樣把一些剛性的、不可拉伸的金屬/硅電子器件做成可拉伸的形式。他具體做的是一些功能密度（即功能組件空間占比）較高的柔性電子器件，這類器件往往要求內(nèi)部的導(dǎo)線可拉伸，甚至超級(jí)可拉伸。因此，發(fā)展超級(jí)可拉伸導(dǎo)線就成了他亟待解決的問(wèn)題。

當(dāng)時(shí)，他的一個(gè)直觀的想法是，類似于彈簧的螺旋結(jié)構(gòu)具備超級(jí)可拉伸特點(diǎn)。但是要在幾十微米，甚至幾微米的尺度上用硅或高性能金屬來(lái)做3D螺旋結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的方法，包括3D打印技術(shù)，都是很難做到的。如何發(fā)明一種新型的微納米3D結(jié)構(gòu)制備方法，是擺在張一慧面前的一道難題。

常言道：“他山之石，可以攻玉。”在一次研究平面曲線結(jié)構(gòu)在拉伸或壓縮下所產(chǎn)生的屈曲變形時(shí)，張一慧意外地發(fā)現(xiàn)，這種平面結(jié)構(gòu)在簡(jiǎn)單壓縮之后，竟然會(huì)變成3D螺旋結(jié)構(gòu)。在這個(gè)發(fā)現(xiàn)的啟發(fā)下，他和美國(guó)的導(dǎo)師一起對(duì)其進(jìn)行拓展，利用這種方法做出了幾百種不同幾何拓?fù)涞?D結(jié)構(gòu)，并且證明了該方法的普適性——理論分析的結(jié)果是100納米以上的尺度都可以實(shí)現(xiàn)，而實(shí)際的樣品已經(jīng)做到幾十厘米。同時(shí)，他也談到，100納米以下的制備技術(shù)還有待深入探討。

由二維平面到三維曲面狀硅結(jié)構(gòu)的組裝成型過(guò)程。

“我們這個(gè)工作提供了一種新的三維結(jié)構(gòu)的制備方法，它可以作為一個(gè)制備平臺(tái)。”與以往的制備方法相比，這種技術(shù)不僅可以快速地實(shí)現(xiàn)各種高性能材料的組裝，而且應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。首先，由于所生成的3D結(jié)構(gòu)是可變形的，所以可以利用它做成具有可調(diào)控功能的微型電感元件。其次，它還可以應(yīng)用到光學(xué)領(lǐng)域——對(duì)器件進(jìn)行拉伸，使其核心部分發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，改變遮光面積，從而改變光的透射率。第三，它還在細(xì)胞生物學(xué)中發(fā)揮著作用，有關(guān)監(jiān)控和調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)的研究正在進(jìn)行著。

成功，是對(duì)世界產(chǎn)生影響

在許多人眼中，入榜《技術(shù)評(píng)論》全球35名35歲以下“世界杰出青年創(chuàng)新家”名單的張一慧無(wú)疑是一位成功的年輕學(xué)者。當(dāng)被問(wèn)到對(duì)于成功的看法時(shí)，張一慧給出的答案是希望自己所做的研究成果能對(duì)世界產(chǎn)生積極的影響。

“如果我們的社會(huì)能夠從我的研究成果中感受到一些收益或者價(jià)值，那么我覺(jué)得真的是很滿足。當(dāng)然，這是非常難。”張一慧說(shuō)，“不過(guò)我會(huì)朝著這個(gè)方向一直努力下去。但是，如果做不到也沒(méi)什么遺憾，只要我能對(duì)這個(gè)領(lǐng)域有所推進(jìn)，讓其他人在我所做的基礎(chǔ)上做出有用的產(chǎn)品，那我也是非常開(kāi)心的。”另外，作為教師，他還希望，自己能夠培養(yǎng)出一些優(yōu)秀的學(xué)生，將來(lái)他們也能對(duì)社會(huì)有所貢獻(xiàn)。

對(duì)于今年入學(xué)母校的學(xué)弟學(xué)妹，張一慧希望他們首先能夠深刻地去理解校訓(xùn)，因?yàn)椤白詮?qiáng)不息、厚德載物”在他看來(lái)就是要敢闖，敢于做那些開(kāi)放性、開(kāi)拓性的工作，遇到困難是要有勇氣堅(jiān)持做下去，即使失敗，也要積累失敗的原因，為接近成功打下更深厚的基礎(chǔ)。另外，他希望學(xué)弟學(xué)妹們能夠踏實(shí)勤奮地學(xué)習(xí)，始終保持一顆好奇心，并且鼓勵(lì)他們用批判的眼光去看待前人所做出的學(xué)術(shù)成果。

（清華新聞網(wǎng)9月8日電）

供稿：校友總會(huì) 編輯：李華山