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)械與動力工程學(xué)院張文明教授團(tuán)隊(duì)開展交叉學(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)力不對稱馳豫與正交釋放三者之間競爭機(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)械動力學(xué)院博士后胡開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。
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(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(xué)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(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(xué)內(nèi)因?yàn)檐涍吔鐚?dǎo)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(qiáng)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(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期刊簡介
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