综述 | 可重构柔性超表面器件:从基础到生物医学应用

研究背景

     超材料在自然界中并不存在，它是一种人工设计并制造的亚波长尺度的周期性单元结构，并能够对电、磁等外部激励产生特殊的响应。1968年，Veselago首次构思并通过实验证明了负介电常数和负磁导率的可能性，为超材料的实现和应用开辟了道路。超材料的二维形式称为超表面，由于其平面性质和易于制造，超表面在具有与超材料相似的非凡特性的同时，具有更进一步的机械灵活性，从而在可穿戴领域具有巨大潜力。近年来，超表面在前沿的微纳光学等众多领域因其非凡特性而受到了广泛的关注。此外，超表面也因其在亚波长尺度上操纵光的相位和振幅的能力，配合传统半导体和集成电路制造技术的高度兼容性，成为了新型光学元器件的一大热点。随着材料科学的发展和先进制造技术的进步，人们对超材料的性能提出了更高的要求，如更具生物相容性、柔韧性、可拉伸性和可穿戴性等。这些新的需求极大地推动了超表面领域的创新发展，也为可重构柔性超表面器件在生物医学应用领域的发展奠定了重要基础。

论文导读

      在早期负介电常数和负磁导率器件的基础上，经过多年的深入研究和发展，超材料已逐渐成为信息科学、物理学、材料科学等多个交叉领域的研究热点和前沿学科。而超表面作为其二维平面形式，由于其独特的电磁特性和平面结构，加之在可重构及柔性共形方面的巨大潜能，近年来受到国际研究人员的青睐和广泛关注。超表面在生物医学方面的应用也从探索阶段逐渐步入实际应用阶段。近日，来自上海科技大学的研究团队针对可重构柔性超材料的发展历史、基本原理、制造工艺、生物医学领域的应用以及未来的发展趋势进行了全面的回顾和分析。相关成果于2024年1月22日以“Reconfigurable flexible metasurfaces: from fundamentals towards biomedical applications”为题发表于 PhotoniX。

主要研究内容

      超材料和超表面作为一种特殊的人造结构，具有区别于天然材料的独特电磁和机械特性。本文通过对其工作原理、制造工艺和应用领域调研和分析，综述了可重构柔性超表面的诞生、发展及其在生物医学领域的广阔前景。图1中列举了不同应用场景的代表性示例。

      本文通过列举出电磁领域中如完美吸收器、超透镜等基础应用，阐述了超材料和超表面的发展历程。通过可重构柔性超表面的调谐机理作为切入点，讨论了满足实际需求的不同结构，包括机械调谐如微机电系统、折纸和剪纸等特殊结构，以及光驱动、电驱动和磁驱动等不同调谐原理。文中还详细列举了不同调谐机制的典型案例。此外，本文还细致地从柔性和可拉伸超表面的制造角度进行深度分析，综合比较了用于各种类型和尺寸超表面制造的加工技术，并按照制造工艺中材料的增减进行了分类。文中列举了许多制造工艺，例如激光直写光刻，纳米压印技术，3D打印技术和聚合物笔直写等技术。许多的传统微纳加工工艺以及新颖的增材制造技术都被应用于前沿的超表面器件的制造中。最后，本文按照应用领域进行分类，进一步讨论了可重构柔性超表面在生物成像、免疫分析、癌症检测和电子皮肤等前沿领域的实际应用和潜在发展前景，并且对其在未来处理医疗保健领域的各个方面的巨大发展潜力做出了积极预测。

观点评述

      超表面的发展代表着科学创新和跨学科合作的典范，也展现了广阔的发展前景。自超材料和超表面概念提出以来，研究人员即以其为基础，设计并制造了各种应用于电磁波的调控、信号检测等多方面的新型器件和设备。材料科学的发展和实际应用需求有效地推动了可重构柔性超表面的诞生和进步。同时，结合了新材料和新制造工艺的可重构柔性超表面在可穿戴传感、光学、通信等领域取得了突破性进展，并逐步进入生物医学应用领域。在可重构柔性超表面的助力下，生物成像和传感技术取得了长足进步，能够有效减轻患者的痛苦，并使得抗体和疾病检测更加高效便捷。此外，电子皮肤的出现也将为残障人士提供更多便利。可重构柔性超表面的发展，有望在未来极大促进包括生物医学工程的各个领域的共同进步。

主要作者

      曹文翰，博士，上海科技大学信息学院研究员、博导。2015年于复旦大学信息学院获得本科学位，2020年于美国波士顿大学获得博士学位，2021年入选上海市海外高层次人才计划。曹文翰博士于2021年加入上海科技大学信息学院后摩尔器件与集成系统中心，主持国家自然科学基金等多项项目，并担任全国纳米技术标委会低维纳米委员会委员、中国光学工程学会高级会员、中国通信学会第一届太赫兹通信委员会委员。他的研究领域主要包括柔性电子器件、软体机器人、太赫兹超表面器件、多层级微纳传感器件等。研究论文以第一作者或通讯作者发表在Nature Communications、Nano Letters等学术期刊上；授权美国专利1项，授权国家发明专利3项。担任中国激光杂志社Chinese Optics Letters杂志青年编委。

      田江涛，上海科技大学曹文翰课题组研究生，研究方向为太赫兹超材料器件。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、清华大学、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等10多个数据库收录。2022年6月获得首个影响因子19.818，位列Q1区。同时进入《2022年中国科学院文献情报中心期刊分区表》，位列物理与天体物理大类和光学小类双一区，为Top期刊。中国科协首次颁布“光学工程和光学领域高质量期刊目录”PhotoniX 位列T1级。
  

了解PhotoniX最新动态