三軸機(jī)械加載下柔性薄膜的多模態(tài)褶皺行為研究

人造表面微納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用在過去幾十年受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)光刻或模板策略雖具有精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點，但也存在設(shè)備特殊、成本高、效率低等固有局限。相比之下，基于應(yīng)力驅(qū)動表面失穩(wěn)的自組裝方法，提供了一種成本低、效率高且可靠的替代路徑，無需傳統(tǒng)光刻工具和掩模即可在大面積上快速生成有序的微納米結(jié)構(gòu)。然而，現(xiàn)有方法生成的褶皺結(jié)構(gòu)通常形態(tài)單一且在表面均勻分布，難以在單一樣品中實現(xiàn)大尺度的多模式調(diào)控。因此，杭州電子科技大學(xué)胡亮教授團(tuán)隊和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)倪勇教授團(tuán)隊提出一種通過施加三軸機(jī)械加載來制備可控的多模式褶皺的簡便、高效方法。

本研究采用一種定制設(shè)計的三軸（夾角120°）拉伸裝置，對三角形柔性基底（如PDMS、Ecoflex）施加均勻預(yù)應(yīng)變，隨后利用磁控濺射或紫外臭氧（UVO）表面改性等技術(shù)在預(yù)拉伸的基底上形成剛性表面層；通過同步釋放三軸預(yù)應(yīng)變，誘導(dǎo)薄膜發(fā)生壓縮失穩(wěn)，從而形成褶皺結(jié)構(gòu)（圖1）。進(jìn)一步利用光學(xué)顯微鏡和原子力顯微鏡（AFM）系統(tǒng)地表征了褶皺的形貌、尺寸及其隨位置（從角落到對邊 ）的演化規(guī)律（圖2），并結(jié)合有限元模擬及理論分析，揭示了三角形薄膜在三軸壓縮下的應(yīng)力分布特征（圖3）。

圖1三軸應(yīng)變下多模褶皺的制備

圖2 兩種不同薄膜系統(tǒng)在不同位置（角落、邊緣和中心）的褶皺形態(tài)

圖3 有限元分析結(jié)果

實驗結(jié)果表明，褶皺形態(tài)呈現(xiàn)出顯著的位置依賴性：從樣品角落的直條紋狀褶皺，逐漸演化為中心區(qū)域的迷宮狀褶皺，最終在邊緣附近轉(zhuǎn)變?yōu)椴y狀褶皺（圖4）。褶皺的波長和振幅均隨薄膜厚度的增加而近似線性增大，但其基本模式特征保持不變。有限元模擬證實，這種多模式分布源于三軸加載下薄膜內(nèi)部應(yīng)力各向異性隨位置的連續(xù)變化。功能性能測試進(jìn)一步表明，不同模式的褶皺展現(xiàn)出獨特的應(yīng)用潛力：條紋和波紋褶皺的摩擦力表現(xiàn)出強(qiáng)烈的各向異性（圖5），而迷宮褶皺的摩擦力則呈各向同性（圖6）。同時，不同位置的褶皺產(chǎn)生了截然不同的激光衍射圖案，并且這些光學(xué)性能可通過機(jī)械應(yīng)變進(jìn)行可逆且穩(wěn)定的調(diào)控。這些結(jié)果共同表明，利用三軸應(yīng)變制備的多模式褶皺在智能表面工程與可調(diào)諧器件領(lǐng)域具備重要的應(yīng)用潛力（圖7）。

圖4多模褶皺的位置依賴性

圖5條紋褶皺的摩擦特性

圖6迷宮狀和波紋狀褶皺的摩擦特性

圖7多模褶皺的光學(xué)特性

綜上所述，本研究發(fā)展了一種基于三軸應(yīng)變加載的簡便方法，用于在柔性薄膜系統(tǒng)中制備可控的多模式褶皺。該方法的核心優(yōu)勢在于其簡單性、高效性和普適性，無需復(fù)雜的光刻或模板過程，在可拉伸電子學(xué)、彈性光學(xué)、表面工程、仿生器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前方法在二維平面基底上實現(xiàn)。而許多實際應(yīng)用場景（如可穿戴設(shè)備、機(jī)器人關(guān)節(jié)）涉及復(fù)雜三維曲面，如何將這種三軸加載策略適配到曲面上，并預(yù)測其皺紋模式，可以進(jìn)一步深入研究。