前沿科技之皺褶材料的大應(yīng)用

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麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)找到了一種在材料表面上制造微小皺褶的方法，可以得到完美有序的周期結(jié)構(gòu)。

, V" [: L- K# @8 S葡萄干上的皺褶源于一個(gè)簡(jiǎn)單的效應(yīng)：當(dāng)內(nèi)部的果肉干燥時(shí)，果皮變硬并且隨著果肉體積的減小而收緊。現(xiàn)在，一個(gè)麻省理工的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種能以可控且有序的方式利用這種原理的方法，通過這種方法可以制造出具有精確尺寸和紋樣的皺褶表面。

研究者說，這種基本方法可以用于制造多種有用的結(jié)構(gòu)：例如用于生物學(xué)研究、傳感和診斷的微流體系統(tǒng)：可以控制光波的新型光電器件；可控的粘著表面；抗反射涂層；以及可以防止微生物孽生的防污表面。
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由麻省理工學(xué)院的博士后Jie Yin和Jose Luis Yagüe，校友2010屆科學(xué)碩士Damien Eggenspieler，以及教授Mary Boyce和Karen Gleason所共同完成的論文中描述了這種新方法，論文發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。
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" L# [; z4 q1 H* |1 j這種方法采用了兩層材料。底層材料或者說基質(zhì)，是一種可以拉伸的硅基聚合物。第二層聚合物材料則通過一種叫做引發(fā)化學(xué)氣相沉積（initiated chemical vapor deposition）（iCVD）的加工過程，先在真空環(huán)境加熱并蒸發(fā)，然后沉積在處于拉伸狀態(tài)的基質(zhì)表面上，并且牢固地和其結(jié)合在一起。然后，也就是新方法的關(guān)鍵步驟，是先沿一個(gè)方向放松拉伸的基質(zhì)，然后再沿另外一個(gè)方向釋放，而不是兩個(gè)方向同時(shí)放松。
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如果張力立刻完全釋放，結(jié)果得到的是紋樣雜亂無序的皺褶，類似葡萄干的表面。但麻省理工研究組所開發(fā)的可控的逐步釋放方式則可以制造出完美有序的人字紋樣。

人字狀突起的大小和間隔看來是可以通過幾個(gè)條件精確控制的，包括基質(zhì)材料最初在每個(gè)方向上的拉伸程度，涂層材料的厚度，以及兩個(gè)方向張力釋放的順序。這個(gè)麻省理工團(tuán)隊(duì)首次展示了控制皺褶的精確尺寸、周期間隔和兩個(gè)方向上角度的能力，
Gleason說，這套方法具有非同一般的能力，不需要遮罩或復(fù)雜的印刷、模具鑄造或掃描工藝，就可以制造出精確可控的皺褶紋樣。

( N' a  f; k# i3 n; F& M控制皺褶紋樣

Alexander and I. Michael Kasser化學(xué)工程教授Gleason說，基本上，“這跟你長(zhǎng)指紋是同樣的原理。”不過在這種情況下，精確控制皺褶紋樣需要iCVD工藝。這種技術(shù)是Gleason和同事在數(shù)年前發(fā)明的，利用這種方法可以嚴(yán)格控制沉積層的厚度，也能控制涂層表面的化學(xué)性質(zhì)。

+ K# P# i- c3 Y$ Z, m1 W+ P. ?) o此外，iCVD方法還提供了高強(qiáng)度的粘著力，這對(duì)于形成皺褶也是很有用的。如果沒有足夠強(qiáng)的粘著力，表面層就會(huì)從基質(zhì)上剝離下來。
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“我們所展示方法的一個(gè)特點(diǎn)是能夠讓皺褶具有確定的二維紋樣，”例如之字形，麻省理工機(jī)械工程系主任，工程學(xué)Ford教授Boyce 說，“這種可獲得確定紋樣皺褶的性質(zhì)是非常有用的，而且根據(jù)其中的原理可以按需設(shè)計(jì)表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

) k: R' j7 p. c, fYagüe說：“一個(gè)重要的應(yīng)用是在不知道薄膜的厚度的情況下，測(cè)量超薄膜材料的性質(zhì)，”他表示薄膜材料的硬度和厚度都可以通過分析皺褶紋樣來進(jìn)行測(cè)量。

' c4 _7 b# i( d) L多個(gè)潛在應(yīng)用領(lǐng)域

研究者說，另外一種可能的應(yīng)用領(lǐng)域是微流體器件，例如用于測(cè)試生物樣品中的分子的器件，其表面上需要做出尺寸精確的微小溝槽。這樣的器件可能用于檢測(cè)污染的傳感器，或醫(yī)療診斷設(shè)備。這個(gè)技術(shù)還有一種可能的應(yīng)用是控制材料表面的反射率或潤(rùn)濕性——使其親水或疏水，這些性能是由表面皺褶的形狀和材料的化學(xué)成分共同決定的。
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' U2 M  ]  Q- G9 C8 c2 A( E+ l$ |: |這樣的紋樣也可以令材料表面互相粘附，在這種情況下，附著力的強(qiáng)度也是可以控制的。 “可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)皺褶紋樣——在使用過程中，拉伸或其他變形方式都可以用來調(diào)節(jié)紋樣以及相應(yīng)的材料性能，” Boyce說，甚至能讓表面恢復(fù)到完美的平面狀態(tài)。這可用來實(shí)現(xiàn)能夠快速分開的牢固粘合方法，也可用來動(dòng)態(tài)改變反射率或潤(rùn)濕性。
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% J8 ?, V7 \' u之前也有多種用于制造具有類似微觀紋樣的表面的技術(shù)，紋樣的尺度從幾個(gè)納米到數(shù)十微米。但多數(shù)這類方法都需要復(fù)雜的制造工藝，或者只能用于面積狹小的材料。

6 ?1 \8 i  A1 J$ W而據(jù)研究組說，新方法不但簡(jiǎn)單（只需要2個(gè)或3個(gè)步驟），還可以用于制造大面積的皺褶表面。論文的第一作者Yin說，“不需要外部模板”就可以做出紋樣。

研究組成員說，得到的紋樣可預(yù)測(cè)是一個(gè)巨大的驚喜。Gleason說：“實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬的吻合程度令人驚訝。”

未參與此項(xiàng)研究的哈佛大學(xué)工程學(xué)與應(yīng)用力學(xué)教授John Hutchinson說：“起皺現(xiàn)象是高度非線性的，關(guān)于紋樣形成問題的答案遲遲沒有出現(xiàn)。”他說麻省理工研究組的工作“在化學(xué)與機(jī)械工程結(jié)合的熱門研究領(lǐng)域中向前邁出了重要的一步。其優(yōu)點(diǎn)在于理論探索與實(shí)驗(yàn)證明和數(shù)值模擬的結(jié)合——覆蓋到了所有的研究基礎(chǔ)。”

2 \1 W5 d$ o3 h$ b! B) l此項(xiàng)研究由沙特阿拉伯法赫德國(guó)王石油礦業(yè)大學(xué)資助。

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