前沿科技之皱褶材料的大应用

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麻省理工学院的一个研究团队找到了一种在材料表面上制造微小皱褶的方法，可以得到完美有序的周期结构。

葡萄干上的皱褶源于一个简单的效应：当内部的果肉干燥时，果皮变硬并且随着果肉体积的减小而收紧。现在，一个麻省理工的研究团队发现了一种能以可控且有序的方式利用这种原理的方法，通过这种方法可以制造出具有精确尺寸和纹样的皱褶表面。
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$ X9 `% w/ ]1 F研究者说，这种基本方法可以用于制造多种有用的结构：例如用于生物学研究、传感和诊断的微流体系统：可以控制光波的新型光电器件；可控的粘着表面；抗反射涂层；以及可以防止微生物孽生的防污表面。
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! _, @9 y* {: a8 B% D/ U由麻省理工学院的博士后Jie Yin和Jose Luis Yagüe，校友2010届科学硕士Damien Eggenspieler，以及教授Mary Boyce和Karen Gleason所共同完成的论文中描述了这种新方法，论文发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。
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这种方法采用了两层材料。底层材料或者说基质，是一种可以拉伸的硅基聚合物。第二层聚合物材料则通过一种叫做引发化学气相沉积（initiated chemical vapor deposition）（iCVD）的加工过程，先在真空环境加热并蒸发，然后沉积在处于拉伸状态的基质表面上，并且牢固地和其结合在一起。然后，也就是新方法的关键步骤，是先沿一个方向放松拉伸的基质，然后再沿另外一个方向释放，而不是两个方向同时放松。
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9 y, D- I! F  V# {1 j如果张力立刻完全释放，结果得到的是纹样杂乱无序的皱褶，类似葡萄干的表面。但麻省理工研究组所开发的可控的逐步释放方式则可以制造出完美有序的人字纹样。
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6 ^% O4 {+ z/ \& J人字状突起的大小和间隔看来是可以通过几个条件精确控制的，包括基质材料最初在每个方向上的拉伸程度，涂层材料的厚度，以及两个方向张力释放的顺序。这个麻省理工团队首次展示了控制皱褶的精确尺寸、周期间隔和两个方向上角度的能力，
, V" R7 r9 f% ]( E# u5 P+ VGleason说，这套方法具有非同一般的能力，不需要遮罩或复杂的印刷、模具铸造或扫描工艺，就可以制造出精确可控的皱褶纹样。

# x4 o  F2 y6 L  X控制皱褶纹样

Alexander and I. Michael Kasser化学工程教授Gleason说，基本上，“这跟你长指纹是同样的原理。”不过在这种情况下，精确控制皱褶纹样需要iCVD工艺。这种技术是Gleason和同事在数年前发明的，利用这种方法可以严格控制沉积层的厚度，也能控制涂层表面的化学性质。

此外，iCVD方法还提供了高强度的粘着力，这对于形成皱褶也是很有用的。如果没有足够强的粘着力，表面层就会从基质上剥离下来。
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$ K2 K) x) r* S1 j“我们所展示方法的一个特点是能够让皱褶具有确定的二维纹样，”例如之字形，麻省理工机械工程系主任，工程学Ford教授Boyce 说，“这种可获得确定纹样皱褶的性质是非常有用的，而且根据其中的原理可以按需设计表面拓扑结构。
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Yagüe说：“一个重要的应用是在不知道薄膜的厚度的情况下，测量超薄膜材料的性质，”他表示薄膜材料的硬度和厚度都可以通过分析皱褶纹样来进行测量。

多个潜在应用领域
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. L" J8 S1 \  ]& |; P研究者说，另外一种可能的应用领域是微流体器件，例如用于测试生物样品中的分子的器件，其表面上需要做出尺寸精确的微小沟槽。这样的器件可能用于检测污染的传感器，或医疗诊断设备。这个技术还有一种可能的应用是控制材料表面的反射率或润湿性——使其亲水或疏水，这些性能是由表面皱褶的形状和材料的化学成分共同决定的。

" @- ^. X/ K9 _) D这样的纹样也可以令材料表面互相粘附，在这种情况下，附着力的强度也是可以控制的。 “可以动态调节皱褶纹样——在使用过程中，拉伸或其他变形方式都可以用来调节纹样以及相应的材料性能，” Boyce说，甚至能让表面恢复到完美的平面状态。这可用来实现能够快速分开的牢固粘合方法，也可用来动态改变反射率或润湿性。
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3 b0 L' r/ L+ Q* _# G* q3 l之前也有多种用于制造具有类似微观纹样的表面的技术，纹样的尺度从几个纳米到数十微米。但多数这类方法都需要复杂的制造工艺，或者只能用于面积狭小的材料。

而据研究组说，新方法不但简单（只需要2个或3个步骤），还可以用于制造大面积的皱褶表面。论文的第一作者Yin说，“不需要外部模板”就可以做出纹样。
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研究组成员说，得到的纹样可预测是一个巨大的惊喜。Gleason说：“实验结果和模拟的吻合程度令人惊讶。”

" Z( _, N. s0 Z" ~( H未参与此项研究的哈佛大学工程学与应用力学教授John Hutchinson说：“起皱现象是高度非线性的，关于纹样形成问题的答案迟迟没有出现。”他说麻省理工研究组的工作“在化学与机械工程结合的热门研究领域中向前迈出了重要的一步。其优点在于理论探索与实验证明和数值模拟的结合——覆盖到了所有的研究基础。”

此项研究由沙特阿拉伯法赫德国王石油矿业大学资助。
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