近日，上海交通大学机械与动力工程学院张文明教授团队与化学化工学院姜学松教授团队合作研究，在Science Bulletin上发表文章“Dynamic metal patterns of wrinkles based on photosensitive layers”，提出通过引入模量可控的光敏性聚合物作为中间层，实现了金属微结构动态调控新策略，发展了多层体系多模态结构失稳力学模型，揭示了金属/光敏中间层/基底三层体系的多失稳模态跃迁机制，为发展了一种普适性的功能材料动态微纳结构调控技术提供重要的理论支撑。胡开明副教授为共同第一作者，通讯作者为张文明教授和姜学松教授。

表面失稳结构广泛存在于自然材料和生物体之中，赋予了材料或生物体独特的性能，特别是具有刺激响应性、可调节性的多尺度微纳米表面失稳结构，能够按需原位调控材料的性能，在自清洁、减阻、黏附、抗干扰、伪装和组织工程等多个领域具有重要的应用前景。基于物理应变或动态化学来调节模量从而调节表面失稳结构，可用于构筑智能表界面材料，是当前材料研究的前沿热点。

图1. 基于光敏聚合物层的金属失稳结构动态调控方法

在金属材料表面构筑微纳米失稳结构能够应对光学、电学、计量学、化学和材料力学等多学科需求，可用于传感、可穿戴器件和超表面等。然而，由于金属的模量往往较高且不可调，要想实现图案化金属表面的自发形成甚至是动态调控，依旧面临诸多困难，在一定程度上限制了其应用场景。为此，张文明课题组和姜学松课题组合作，通过引入模量受控的光敏性中间层聚合物，实现了金属材料微结构动态调控新策略，发展了多层体系多模态失稳力学模型，揭示了金属-光敏中间层-基底三层体系的多失稳模态跃迁机制，为发展了一种普适性的功能材料动态微纳结构调控技术提供重要的理论支撑。

图2. 三层体系多模态失稳的动态演化示意图

图3. 三层体系多失稳模态跃迁机制

研究发现多层体系在不同温度的热诱发应变条件下，金属失稳结构波长明显改变，表现出多模态失稳。通过力学模拟和有限元分析，研究证实了三层体系中的聚合物的模量分布是影响金属失稳形貌的关键因素，并揭示了依赖应变和模量比的表面失稳相图。基于理论模型，利用紫外光照射引发可逆的蒽二聚反应，可对多模态金属失稳结构任意按需调节。

图4. 动态金属微纳失稳结构应用

动态金属失稳凭借对光的反射方向的改变，可以用于制备智能“魔镜”，实现智能展示和解决金属光污染问题。这种普适性策略为今后调控功能性材料的微纳结构提供了重要的平台，同时对于理解并利用多层体系结构多模态表面失稳现象大有裨益，可用于微加工、传感和柔性器件等领域。

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市基础研究重大项目资助。

论文链接：https://www.sciengine.com/SB/doi/10.1016/j.scib.2022.10.016