三軸機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)胡亮教授團隊和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)倪勇教授團隊提出一種通過施加三軸機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)性能可通過機械應(yīng)變進行可逆且穩(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，可以進一步深入研究。