近日，上海交通大學化學化工學院姜學松研究員聯(lián)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(fā)表了題為“Regulating surface wrinkles using light”的研究論文。研究構(gòu)建了二維褶皺形貌與表面應(yīng)力局部可控釋放之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，厘清了薄膜模量增強效應(yīng)、應(yīng)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(jié)構(gòu)的新策略。該策略可實現(xiàn)二維有序表面褶皺的全特征調(diào)控?；W院博士研究生周良圍和機械動力學院博士后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。
褶皺作為自然界和工程界中最普遍的表面結(jié)構(gòu)，人工引入的有序褶皺可以在材料物性表征、微納制造、智能表面、柔性器件構(gòu)筑等領(lǐng)域發(fā)揮作用。控制褶皺的表面不穩(wěn)定性，實現(xiàn)參數(shù)可控的有序褶皺具有重要的理論和應(yīng)用價值，也是褶皺領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。
周良圍等人以可逆二聚交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)與彈性體聚二甲基硅氧烷構(gòu)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(fā)生可逆的二聚化，從而產(chǎn)生褶皺。調(diào)控兩次連續(xù)曝光的時間、夾角、熱處理溫度，即可實現(xiàn)對體系表面應(yīng)力的精確調(diào)控與二次重構(gòu)，對褶皺結(jié)構(gòu)任意按需調(diào)節(jié)。
為了揭示上述局部調(diào)控方法的力學成因，通過考慮雙向泊松效應(yīng)和軟邊界效應(yīng)，胡開明等人提出了一種二維應(yīng)力可控馳豫的修正剪力滯后模型，構(gòu)建了多重曝光下表面應(yīng)力局部馳豫與曝光特征之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，闡明了二重曝光區(qū)域褶皺先消失后觸發(fā)的演化規(guī)律，揭示了二維表面褶皺光學調(diào)控的力學機理：曝光構(gòu)筑物理邊界約束效應(yīng)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(yīng)會引起二重曝光區(qū)域應(yīng)力正交釋放，抑制了高楊氏模量的二重曝光區(qū)褶皺生成。研究表明，上述連續(xù)曝光策略的力學內(nèi)因為軟邊界導致的不對稱馳豫現(xiàn)象、雙向泊松效應(yīng)下應(yīng)力正交釋放和多重曝光的模量增強效應(yīng)三者復(fù)雜競爭的結(jié)果。
利用該策略，可以制備復(fù)雜的動態(tài)光柵結(jié)構(gòu)，并能使各類功能層材料的結(jié)構(gòu)有序化。這種功能化的可調(diào)褶皺模具平臺可用于快速、低成本地制備微納米周期性結(jié)構(gòu)，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(yīng)用潛力。
該研究得到了國家杰出青年科學基金項目,上海市基礎(chǔ)研究重大項目和博士后創(chuàng)新人才計劃等項目的資助。
附：National Science Review期刊簡介
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