近日,上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院姜學(xué)松研究員聯(lián)合機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院張文明教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)展交叉學(xué)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(qiáng)效應(yīng)、應(yīng)力不對(duì)稱馳豫與正交釋放三者之間競(jìng)爭(zhēng)機(jī)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(shí)現(xiàn)二維有序表面褶皺的全特征調(diào)控。化工學(xué)院博士研究生周良圍和機(jī)械動(dòng)力學(xué)院博士后胡開(kāi)明為該文的共同第一作者,姜學(xué)松研究員和張文明教授為共同通訊作者。

上海交大姜學(xué)松、張文明合作:揭示可編程二維表面褶皺圖案調(diào)控力學(xué)機(jī)制
(a) 程序化光控表面褶皺結(jié)構(gòu)的策略;(b) 多重曝光下褶皺形貌演化規(guī)律;(c-d) 二維有序褶皺形貌與表面薄膜應(yīng)力之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系

 

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??刂岂薨櫟谋砻娌环€(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)參數(shù)可控的有序褶皺具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)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(shí)間、夾角、熱處理溫度,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)體系表面應(yīng)力的精確調(diào)控與二次重構(gòu),對(duì)褶皺結(jié)構(gòu)任意按需調(diào)節(jié)。

上海交大姜學(xué)松、張文明合作:揭示可編程二維表面褶皺圖案調(diào)控力學(xué)機(jī)制
連續(xù)曝光下褶皺精準(zhǔn)局部可控擦除和方向調(diào)節(jié)

 

為了揭示上述局部調(diào)控方法的力學(xué)成因,通過(guò)考慮雙向泊松效應(yīng)和軟邊界效應(yīng),胡開(kāi)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(xué)調(diào)控的力學(xué)機(jī)理:曝光構(gòu)筑物理邊界約束效應(yīng)誘導(dǎo)了薄膜表面在二維方向上不對(duì)稱馳豫,保證了二維表面褶皺的有序性;雙向泊松效應(yīng)會(huì)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(xué)內(nèi)因?yàn)檐涍吔鐚?dǎo)致的不對(duì)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(qiáng)效應(yīng)三者復(fù)雜競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。

利用該策略,可以制備復(fù)雜的動(dòng)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(tái)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。

上海交大姜學(xué)松、張文明合作:揭示可編程二維表面褶皺圖案調(diào)控力學(xué)機(jī)制
紅外驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)光柵和功能化褶皺模具

 

該研究得到了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目,上海市基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目和博士后創(chuàng)新人才計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

附:National Science Review期刊簡(jiǎn)介

《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review,NSR,影響因子:16.693)由中國(guó)科學(xué)院主管,是中國(guó)第一份國(guó)家級(jí)英文版科技學(xué)術(shù)綜合性期刊,定位于報(bào)道國(guó)家重大研究計(jì)劃、重要科研項(xiàng)目、重點(diǎn)支持領(lǐng)域的研究進(jìn)展,對(duì)科學(xué)前沿的進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和前瞻,旨在展示我國(guó)前沿研究和熱點(diǎn)研究的最新進(jìn)展和代表性成果,引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展,促進(jìn)學(xué)術(shù)交流。

 

論文鏈接:

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

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