MIT青年英雄榜张一慧：如何让微小尺度的三维成型变简单？

你有没有收到过这样的贺卡，未打开时是一张二维的卡片，打开后，里面会呈现出三维立体的图案。

现在，清华大学航天航空学院工程力学系副教授张一慧就利用类似的原理，提供了一种可适用于各种高性能材料的微尺度三维结构组装方法，为先进微纳米系统的制备提供了一种重要的新途径。

这样的成就也让张一慧获得了2016年《MIT科技评论》选出的35人35岁以下的创新者称号。他的研究还在2015年被《科学》杂志选为封面论文。

今年8月23日，《MIT科技评论》公布了第16届TR35榜单，即全球35名35岁以下青年创新者榜单。选出的各路精英在创造力、管理能力方面都堪称翘楚，他们的创新领域涉及医疗、能源、计算机和先进电子器件；他们的事业舞台涵盖初创公司、研发机构和企业巨头，都是各自领域的领军人物。

《MIT科技评论》认为，张一慧的研究设计了纳米结构，能轻松打造微小造型，能造福许多研究领域，是科技领域的先锋者。

如何让微尺度三维成型技术更加容易？

今年30岁的张一慧，来自安徽芜湖市南陵县。本科毕业于南京航空航天大学，学的是飞行器设计与工程专业。在清华大学完成了自己的硕士和博士研究后，张一慧在美国西北大学先后任博士后和研究助理教授。屈曲引导的微尺度三维结构组装新方法就是张一慧在西北大学期间的研究项目之一。

微尺度三维结构组装新方法首次将可控力学屈曲引入至微尺度三维结构组装，实现了从二维微纳米薄膜到三维细微观结构的高精度组装。该方法不仅适用于半导体、金属、聚合物、塑料等各种材料类型，而且适用于不同特征尺度下的材料组装，例如从100纳米到30毫米。

张一慧在接受澎湃新闻（www.thepaper.cn）专访时详细地介绍了这个技术。

“要了解这个技术，首先要了解什么是屈曲。屈曲是一个力学概念，指的是一个结构，在压缩或者其他形式载荷的作用下，它有可能丧失稳定。丧失稳定后，这个结构能从一个状态跳到另一个平衡的状态。”张一慧告诉澎湃新闻。

举个例子，一根细长的杆子，在两端对其进行挤压。如果两端的力非常小，杆子的形状不会进行改变，但如果两端的力比较大，杆子就会从直的状态跳成曲的状态。整个过程就是一个屈曲的过程。

美国佐治亚理工大学V.V. Tsukruk教授在当时《科学》同期出版的Perspectives专栏中，认为该张一慧的工作“展示了一种新典范，它通过设计局部屈曲诱导功能材料迅速弹出成型复杂三维结构。”

打破了3D打印的局限

张一慧的研究之所以能在全球引起关注，主要原因是他在微小尺度上的三维制备方法能在生物医学器件、微机电系统、光电子器件和超材料等众多科技领域有重要而广泛的应用。一直以来，上述这些领域里三维制备一直都是科技研究的焦点。

张一慧的研究是全球范围内首次实现微小尺度的复杂三维半导体结构成型。据张一慧介绍，此前三维微纳米结构的制备及组装方法有一定局限性，所适用的材料种类和三维几何构型都比较有限，尤其是缺乏高性能半导体材料（譬如单晶硅）的复杂三维结构成型方法。

与3D打印技术相比，该方法具有适用材料范围广、成型速度快、成型过程可控性强等优势。

“我们的三维成型技术的核心，是能将非常容易成型的二维薄膜图案，通过压缩力的作用，让其变形成为三维结构。在整个过程中需要借助一块非常柔软的弹性聚合物，比如硅胶材料。它非常柔软，可以拉开很大，便于将二维薄膜图案在上面进行压缩。”张一慧说。

据澎湃新闻了解，张一慧的实验室就留有一块高弹硅胶，其上连着一个类似足球的结构。一旦硅胶被从四个角拉紧后，原来的三维足球结构就会变成二维图案，看起来像是一个中心由六边形与五边形相邻拼成的轮子。当再次松开硅胶之后，扁平的二维结构又弹回到原来的三维立体结构。

这种“弹出式”的三维快速成型技术可以适用于大多数材料，如金属和高分子聚合物。除了打破了三维成型的尺度局限和材料局限外，张一慧的方法可以更好地控制整个三维制备的过程。

张一慧在采访中告诉澎湃新闻，未来自己的研究方向仍在这一块上，希望最终能开发出一个模型数据库或者算法，来帮助研究者更容易的将期望得到的三维立体结构映射成二维前驱图案。

“这是一个工具，各个领域的研究人员可以用它来进行各自的创新。”张一慧说。

国内研究环境正在稳步提升

在开始自己大学生涯的时候，张一慧对于自己今后的科研方向，并没有特别的规划。“我只是在大学第一年念完一些基础课程后，才逐渐对于工程力学感兴趣。有了兴趣后，就慢慢朝这个方向走了。”张一慧说。

在工作研究之余，张一慧还喜欢在清华大学校园里跑步。“清华一直倡导体育锻炼，能强身健体。另外，我觉得跑步能让自己更加平静。“张一慧告诉澎湃新闻。

在MIT今年的TR35人名单中，共有6名中国人，分别是IBM研究中心研究员曹庆、美国伊利诺伊大学助理教授刁莹、加州大学伯克利分校博士后高伟、前百度深度学习实验室主任研发构架师/首席设计师顾嘉唯、清华大学副教授张一慧以及南京大学教授朱嘉。其中刁莹、张一慧、高伟、顾嘉唯均是清华校友。

除了国内的科研人员受到海外媒体更多的关注外，国内的大型科研研究项目，比如FAST射电望远镜、大亚湾中微子实验、载人航天和探月计划等也受到了海外媒体的关注和热议。

“从我自己的领域来看，近几年，国内确实通过许多人才计划，在国外引进了很多优秀的人才。各个层次不同的人才计划，这些都为国外人才回国提供了一个稳定和安心工作的平台。这是国内许多研究逐渐得到国外关注的重要原因。另外一个因素是国内和国外的交流更加频繁了。此外，资金投入的增加也是一个重要因素。”张一慧告诉澎湃新闻（www.thepaper.cn）。

张一慧以自己的亲身经历为例，过去出国交流的申请会比较麻烦，但现在一年内会有多次出国交流的机会。这样的交流带来了直接的成果。张一慧的微小尺度三维成型方法就是在和美国西北大学黄永刚教授与伊利诺伊大学Rogers教授（现为美国西北大学教授）各研究组通力合作下完成的。