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张文明教授团队在National Science Review发文,揭示可编程二维表面褶皱图案调控力学机制
发布时间:2020-07-15

近日,我院张文明教授团队联合化学化工学院姜学松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,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,厘清了软边界和泊松效应作用下薄膜模量增强效应、应力不对称驰豫与正交释放三者之间耦合竞争机制,阐明了多重曝光下表面褶皱形貌动态演化规律,提出了一种可编程式光控表面褶皱结构的新策略。该策略可以调控二维平面上褶皱的波长、振幅等各种参数。化学与化工学院博士研究生周良围和机械与动力工程学院博士后胡开明为该文的共同第一作者,张文明教授和姜学松研究员为共同通讯作者。

 

(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、柔性器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,同时也是褶皱领域的重要挑战。

 

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。

 

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。

 

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。

 

红外驱动动态光栅和功能化褶皱模具

 

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。

 

附:National Science Review期刊简介

《国家科学评论》(National Science Review,NSR,影响因子:16.693)由中国科学院主管,是我国第一份国家级英文版科技学术综合性期刊,定位于报道国家重大研究计划、重要科研项目、重点支持领域的研究进展,对科学前沿的进展进行总结和前瞻,旨在展示我国前沿研究和热点研究的最新进展和代表性成果,引领学科发展,促进学术交流。

 

论文链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa052

 

供稿:振动、冲击、噪声研究所     
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