揭示了二维表面褶皱光学调控的力学机理
近日 ， 上海交通大学化学化工学院姜学松研究员联合机械与动力工程学院张文明教授团队开展交叉学科研究 ， 在National Science Review上发表了题为“Regulating surface wrinkles using light”的研究论文 。 研究构建了二维褶皱形貌与表面应力局部可控释放之间的关联关系 ， 厘清了薄膜模量增强效应、应力不对称驰豫与正交释放三者之间竞争机制 ， 提出了一种可编程式光控表面褶皱结构的新策略 。 该策略可实现二维有序表面褶皱的全特征调控 。 化工学院博士研究生周良围和机械动力学院博士后胡开明为该文的共同第一 ， 姜学松研究员和张文明教授为共同通讯 。
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a 程序化光控表面褶皱结构的策略；b 多重曝光下褶皱形貌演化规律；c-d 二维有序褶皱形貌与表面薄膜应力之间的关联关系
褶皱作为自然界和工程界中最普遍的表面结构 ， 人工引入的有序褶皱可以在材料物性表征、微纳制造、智能表面、柔件构筑等领域发挥作用 。 控制褶皱的表面不稳定性 ， 实现参数可控的有序褶皱具有重要的理论和应用价值 ， 也是褶皱领域的重要 。
周良围等人以可逆二聚交联的聚合物网络与弹性体聚二甲基硅氧烷构建了双层褶皱体系 。 该体系中 ， 上层材料可以在紫外光照射下发生可逆的二聚化 ， 从而产生褶皱 。 调控两次连续曝光的时间、夹角、热处理温度 ， 即可实现对体系表面应力的精确调控与二次重构 ， 对褶皱结构任意按需调节 。
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连续曝光下褶皱精准局部可控擦除和方向调节
为了揭示上述局部调控方法的力学成因 ， 通过考虑双向泊松效应和软边界效应 ， 胡开明等人提出了一种二维应力可控驰豫的修正剪力滞后模型 ， 构建了多重曝光下表面应力局部驰豫与曝光特征之间的关联关系 ， 阐明了二重曝光区域褶皱先消失后触发的演化规律 ， 揭示了二维表面褶皱光学调控的力学机理：曝光构筑物理边界约束效应诱导了薄膜表面在二维方向上不对称驰豫 ， 保证了二维表面褶皱的有序性；双向泊松效应会引起二重曝光区域应力正交释放 ， 抑制了高杨氏模量的二重曝光区褶皱生成 。 研究表明 ， 上述连续曝光策略的力学内因为软边界导致的不对称驰豫现象、双向泊松效应下应力正交释放和多重曝光的模量增强效应三者复杂竞争的结果 。
【揭示了二维表面褶皱光学调控的力学机理】
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红外驱动动态光栅和功能化褶皱模具
利用该策略 ， 可以制备复杂的动态光栅结构 ， 并能使各类功能层材料的结构有序化 。 这种功能化的可调褶皱模具平台可用于快速、低成本地制备微纳米周期性结构 ， 在柔性电子、微加工、传感和微/纳米通道等方面有着巨大的应用潜力 。
该研究得到了国家杰出青年科学基金项目 ， 上海市基础研究重大项目和博士后创新人才计划等项目的资助 。
本文相关词条概念解析：
【揭示了二维表面褶皱光学调控的力学机理】褶皱
褶皱：岩层在形成时 ， 一般是水平的 。 岩层在构造运动作用下 ， 因受力而发生弯曲 ， 一个弯曲称褶曲 ， 如果发生的是一系列波状的弯曲变形 ， 就叫褶皱 。 褶皱虽然改变了岩石的原始形态 ， 但岩石并未丧失其连续性和完整性 。
表面
表面是指固体表层一个或数个原子层的区域 。 由于表面粒子（分子或原子）没有邻居粒子 ， 使其物理性和化学性与固体内部明显不同 。 表面电子结构状况不仅直接影响外来原子或分子在固体表面上的吸附和催化反应 ， 也是影响复合材料结合强度 ， 复层光电薄膜性能的关键因素 。 对于这种表面结构的测定 ， 已不能采用通常三维体相X射线衍射（XRD）技术 ， 而必须依赖低能电子衍射（LEED） ， 才能获得二维点阵 ， 元格基矢的大小及相对于基底表面的晶格取向 。 表面特殊电子结构的存在 ， 是影响表面光 ， 电吸收和发射 ， 以及影响表面或界面电子传输特性的关键因素 。
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