上海交大姜學松、張文明合作:揭示可編程二維表面褶皺圖案調控力學...

2020-12-05 騰訊網

近日，上海交通大學化學化工學院姜學松研究員聯合機械與動力工程學院張文明教授團隊開展交叉學科研究，在National Science Review上發表了題為「Regulating surface wrinkles using light」的研究論文。研究構建了二維褶皺形貌與表面應力局部可控釋放之間的關聯關係，釐清了薄膜模量增強效應、應力不對稱馳豫與正交釋放三者之間競爭機制，提出了一種可編程式光控表面褶皺結構的新策略。該策略可實現二維有序表面褶皺的全特徵調控。化工學院博士研究生周良圍和機械動力學院博士後胡開明為該文的共同第一作者，姜學松研究員和張文明教授為共同通訊作者。

(a) 程序化光控表面褶皺結構的策略；(b) 多重曝光下褶皺形貌演化規律；(c-d) 二維有序褶皺形貌與表面薄膜應力之間的關聯關係

褶皺作為自然界和工程界中最普遍的表面結構，人工引入的有序褶皺可以在材料物性表徵、微納製造、智能表面、柔性器件構築等領域發揮作用。控制褶皺的表面不穩定性，實現參數可控的有序褶皺具有重要的理論和應用價值，也是褶皺領域的重要挑戰。

周良圍等人以可逆二聚交聯的聚合物網絡與彈性體聚二甲基矽氧烷構建了雙層褶皺體系。該體系中，上層材料可以在紫外光照射下發生可逆的二聚化，從而產生褶皺。調控兩次連續曝光的時間、夾角、熱處理溫度，即可實現對體系表面應力的精確調控與二次重構，對褶皺結構任意按需調節。

連續曝光下褶皺精準局部可控擦除和方向調節

為了揭示上述局部調控方法的力學成因，通過考慮雙向泊松效應和軟邊界效應，胡開明等人提出了一種二維應力可控馳豫的修正剪力滯後模型，構建了多重曝光下表面應力局部馳豫與曝光特徵之間的關聯關係，闡明了二重曝光區域褶皺先消失後觸發的演化規律，揭示了二維表面褶皺光學調控的力學機理：曝光構築物理邊界約束效應誘導了薄膜表面在二維方向上不對稱馳豫，保證了二維表面褶皺的有序性；雙向泊松效應會引起二重曝光區域應力正交釋放，抑制了高楊氏模量的二重曝光區褶皺生成。研究表明，上述連續曝光策略的力學內因為軟邊界導致的不對稱馳豫現象、雙向泊松效應下應力正交釋放和多重曝光的模量增強效應三者複雜競爭的結果。

利用該策略，可以製備複雜的動態光柵結構，並能使各類功能層材料的結構有序化。這種功能化的可調褶皺模具平臺可用於快速、低成本地製備微納米周期性結構，在柔性電子、微加工、傳感和微/納米通道等方面有著巨大的應用潛力。

紅外驅動動態光柵和功能化褶皺模具

該研究得到了國家傑出青年科學基金項目,上海市基礎研究重大項目和博士後創新人才計劃等項目的資助。

附：National Science Review期刊簡介

《國家科學評論》（National Science Review，NSR，影響因子：16.693）由中國科學院主管，是中國第一份國家級英文版科技學術綜合性期刊，定位於報導國家重大研究計劃、重要科研項目、重點支持領域的研究進展，對科學前沿的進展進行總結和前瞻，旨在展示我國前沿研究和熱點研究的最新進展和代表性成果，引領學科發展，促進學術交流。

論文連結：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa052

來源：上海交通大學新聞網

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