За последние несколько десятилетий проектирование и применение микронаноструктур на искусственных поверхностях привлекло большое внимание. Хотя традиционные стратегии фотолитографии или шаблонов имеют преимущества высокой точности и хорошей повторяемости, они также имеют присущие им ограничения, такие как специальное оборудование, высокая стоимость и низкая эффективность. Напротив, метод самосборки, основанный на нестабильной поверхности, управляемой напряжением, обеспечивает недорогой, эффективный и надежный альтернативный путь для быстрого создания упорядоченных микронаноструктур на больших площадях без традиционных инструментов фотолитографии и масок. Тем не менее, складчатые структуры, генерируемые существующими методами, обычно имеют единую форму и равномерно распределены по поверхности, что затрудняет крупномасштабное многорежимное регулирование в одном образце. Поэтому команда профессора Ху Лян из Ханчжоуского университета электронных технологий и команда профессора Ни Юн из Китайского университета науки и техники предложили простой и эффективный способ подготовки контролируемых многорежимных складок путем применения трехосной механической загрузки.

В данном исследовании используется специально сконструированное трехосное (с углом 120°) растягивающее устройство, которое обеспечивает равномерную предварительную деформацию гибкого основания треугольника (например, PDMS, Ecoflex), а затем создает жесткий поверхностный слой на предварительно растянутом фундаменте с использованием таких технологий, как магнитное распыление или модификация поверхности ультрафиолетового озона (UVO); Благодаря синхронному высвобождению трехосной предварительной деформации индуцированная пленка теряет стабильность при сжатии, образуя структуру складок (рисунок 1). Дальнейшее использование оптического микроскопа и атомно - силового микроскопа (AFM) систематически характеризует форму, размер складок и их эволюционный закон в зависимости от положения (от угла до противоположной стороны) (рисунок 2) и в сочетании с моделированием конечных элементов и теоретическим анализом раскрывает характеристики распределения напряжений треугольной пленки при трехосном сжатии (рисунок 3).

Рисунок 1 Подготовка многомодовых складок при деформации по трем осям

Рисунок 2 Формы складок двух различных тонкопленочных систем в разных местах (угол, край и центр)

Рисунок 3 Результаты анализа конечных элементов

Экспериментальные результаты показали, что форма складок демонстрирует значительную зависимость от местоположения: от прямых полосатых складок в углу образца она постепенно превращается в лабиринтные складки в центральной области и в конечном итоге превращается в гофрированные складки вблизи края (рисунок 4). Длина волны и амплитуда складок почти линейно увеличиваются с увеличением толщины пленки, но их основные характеристики модели остаются неизменными. Моделирование конечных элементов подтвердило, что это мультимодальное распределение происходит из - за непрерывных изменений анизотропии напряжений внутри пленки под трехосной загрузкой. Функциональные тесты производительности также показали, что складки различных режимов демонстрируют уникальный потенциал применения: трение полосок и гофрированных складок демонстрирует сильную анизотропию (рисунок 5), в то время как трение лабиринтных складок изотропно (рисунок 6). В то же время складки в разных местах создают совершенно разные лазерные дифракционные узоры, и эти оптические свойства могут быть обратимыми и стабильными с помощью механических деформаций. Вместе эти результаты показывают, что многорежимные складки, подготовленные с использованием трехосных деформаций, имеют важный потенциал применения в области интеллектуальной поверхностной инженерии и настраиваемых устройств (рисунок 7).

Рисунок 4 Зависимость расположения многомодовых складок

Рисунок 5 Характеристики трения полосатых складок

Рисунок 6 Характеристики трения лабиринтов и гофрированных складок

Рисунок 7 Оптические свойства многомодовых складок

Подводя итог вышесказанному, в исследовании разработан простой метод, основанный на трехосной деформационной загрузке, для подготовки управляемых многорежимных складок в гибкой мембранной системе. Основными преимуществами этого метода являются его простота, эффективность и универсальность, отсутствие сложных фотолитографических или шаблонных процессов и широкие перспективы применения в таких областях, как растягиваемая электроника, эластичная оптика, поверхностная инженерия и бионические устройства. Нынешний метод реализован на двумерной плоской основе. В то время как многие практические сценарии применения (например, носимые устройства, роботизированные суставы) включают в себя сложные трехмерные поверхности, как адаптировать эту трехосную стратегию загрузки к поверхности и предсказать ее морщинистый режим, может быть дополнительно изучено.