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  褶皺圖案是生物體和高分子薄膜表面常見的一種現(xiàn)象，是由于應力失穩(wěn)造成的。與各種制備微納米圖案的方法如光刻、納米壓印和電子束刻蝕等技術(shù)相比，通過褶皺（wrinkling）在材料表面構(gòu)造微納米圖案具有十分簡單、快捷和低成本等特點，并在材料物性表征、微納制造、智能表面和柔性器件構(gòu)筑等方面顯示了其獨特的應用優(yōu)勢。然而自發(fā)形成的褶皺本身通常是無序的，迄今為止，科研工作者可以通過各種方法在局部范圍內(nèi)很好地實現(xiàn)褶皺在一維方向的有序化，卻始終無法控制褶皺在二維方向上的有序化，從而極大地限制了褶皺微納米圖案的發(fā)展。這主要是由于在經(jīng)典的雙層體系同應力在雙層的界面區(qū)域集中，應力分布和褶皺形貌很難在二維方向得到嚴格控制，如何將無序的褶皺調(diào)控成有序可控的微圖案非常具有挑戰(zhàn)性。

  近日，來自上海交通大學化學化工學院和機械與動力工程學院團隊與美國勞倫斯伯克利國家實驗室的團隊進行合作，提出了一種利用聚合物薄膜的光控梯度交聯(lián)反應來調(diào)控高分子薄膜內(nèi)應力的策略，制備出在二維方向上嚴格有序的微納米褶皺圖案，解決了現(xiàn)階段無法制備二維有序褶皺圖案的瓶頸。建立了“有限約束邊界褶皺”理論模型，闡明了有序褶皺的應力分布和演變過程。結(jié)合實驗和理論模擬，揭示了梯度交聯(lián)體系實現(xiàn)應力在二維方向上可控釋放的普適性機制，實現(xiàn)了褶皺在二維方向的有序控制和連續(xù)以及非連續(xù)的復雜有序圖案的免光刻直寫，突破了目前無法在多維方向上控制應力有序分布的難題。該有序褶皺圖案是可逆的，可以進行多次擦除和寫入，開拓了褶皺圖案在光可擦寫信息存儲、顯示和防偽等方面的應用。

  上海交大化工學院姜學松研究員課題組先設(shè)計并合成了光敏的含蒽基團的聚合物，利用光聚合的漏斗效應構(gòu)筑梯度交聯(lián)的聚合物薄膜，體系自身產(chǎn)生以及吸收的熱量誘導薄膜產(chǎn)生冷熱收縮的應力，梯度交聯(lián)的體系使得表面應力在垂直方向可控釋放，從而實現(xiàn)對褶皺圖案的二維有序控制，制備出可以嚴格復制光掩膜板圖案的褶皺，經(jīng)光掩模板曝光可以一步直寫連續(xù)甚至非連續(xù)的二維有序規(guī)則圖案，具有很高的保真度和可行性（圖1）。

圖1：2D有序褶皺圖案的構(gòu)建策略及其所制備的各種表面圖案

  上海交大機動學院的張文明教授課題組和美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Thomas P. Russell教授團隊分別利用有限元分析的方法對薄膜在光化學交聯(lián)反應過程的應力變化進行了理論分析和模擬，揭示梯度化學交聯(lián)反應導致薄膜內(nèi)的應力梯度分布，這是實現(xiàn)有序褶皺的關(guān)鍵（圖2）。

圖2：不同尺寸掩膜板誘導的褶皺形貌演變及其有限元模擬分析的應力分布

  在理論研究上，該研究工作通過化學交聯(lián)反應對薄膜材料應力調(diào)控的策略，實現(xiàn)了褶皺圖案在二維方向上的長程有序化；在應用方面，與傳統(tǒng)光刻技術(shù)相比，該方法可以一步得到圖案，無需后處理工序，簡單經(jīng)濟快捷，可適應性廣，突破了傳統(tǒng)光刻繁瑣的工藝限制。同時，光敏聚合物易于設(shè)計性和多樣化可以實現(xiàn)從宏觀尺度到微米級，亞微米級甚至納米級有序圖案的制備。進一步，蒽基團的可逆交聯(lián)反應可以動態(tài)調(diào)控應力場的釋放和產(chǎn)生從而實現(xiàn)表面圖案的循環(huán)擦寫，在信息存儲和防偽、顯示、可重構(gòu)材料及柔性電子器件等有著潛在的應用（圖3）。

圖3：可擦寫的有序褶皺圖案

  該研究工作發(fā)表在Adv. Mater.上，上海交通大學化學化工學院博士生侯鴻浩和機械與動力工程學院博士后胡開明為本文的第一作者，該研究工作得到了上海市重大項目和國家自然科學基金的資助。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201803463