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標(biāo)題: 前沿科技之皺褶材料的大應(yīng)用 [打印本頁]
作者: 掃街    時間: 2012-9-6 19:24
標(biāo)題: 前沿科技之皺褶材料的大應(yīng)用
麻省理工學(xué)院的一個研究團(tuán)隊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)。
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葡萄干上的皺褶源于一個簡單的效應(yīng)：當(dāng)內(nèi)部的果肉干燥時，果皮變硬并且隨著果肉體積的減小而收緊。現(xiàn)在，一個麻省理工的研究團(tuán)隊發(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。. U" O9 `: C) n; z1 f( M! c

1 Y) ?) \6 ~! q$ m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。- a& o' H$ B5 m( q) v8 N
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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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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，是先沿一個方向放松拉伸的基質(zhì)，然后再沿另外一個方向釋放，而不是兩個方向同時放松。' f5 g3 c. s3 q) n4 k# n* Z! E, I
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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。- D- O& d, X, k5 N

4 b6 o% g& E4 {. ?6 I7 H  K人字狀突起的大小和間隔看來是可以通過幾個條件精確控制的，包括基質(zhì)材料最初在每個方向上的拉伸程度，涂層材料的厚度，以及兩個方向張力釋放的順序。這個麻省理工團(tuán)隊首次展示了控制皺褶的精確尺寸、周期間隔和兩個方向上角度的能力，0 U" H6 }: h2 i- C- E
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。  b9 O! D1 B! f
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控制皺褶紋樣
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Alexander and I. Michael Kasser化學(xué)工程教授Gleason說，基本上，“這跟你長指紋是同樣的原理。”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)。/ {8 n& }' U$ b: O9 K
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此外，iCVD方法還提供了高強(qiáng)度的粘著力，這對于形成皺褶也是很有用的。如果沒有足夠強(qiáng)的粘著力，表面層就會從基質(zhì)上剝離下來。
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“我們所展示方法的一個特點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)計表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
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' T, z" z$ S: ~" x9 x! f2 B9 I7 ~Yagüe說：“一個重要的應(yīng)用是在不知道薄膜的厚度的情況下，測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)行測量。2 y8 X  J+ \1 ?$ v' |' c, C

% w) c) H) ~* J: F& l; o多個潛在應(yīng)用領(lǐng)域
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  _" b% {# y9 `. c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污染的傳感器，或醫(yī)療診斷設(shè)備。這個技術(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。- T+ c! g" N! i! }+ Z" u

# V9 `8 y. q9 W; e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)。這可用來實現(xiàn)能夠快速分開的牢固粘合方法，也可用來動態(tài)改變反射率或潤濕性。* D5 _# \( F6 o3 Y3 M- K

& X0 L1 `. E9 L8 t5 h# x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。
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+ N* W* l% ~. n, D( Z) d而據(jù)研究組說，新方法不但簡單（只需要2個或3個步驟），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。/ P& k( n9 c' a3 K

6 [( V  C; w7 u- ?. m: {研究組成員說，得到的紋樣可預(yù)測是一個巨大的驚喜。Gleason說：“實驗結(jié)果和模擬的吻合程度令人驚訝。”6 g- t( z9 N4 z9 e

4 S6 u; L1 S7 S& n( n* i未參與此項研究的哈佛大學(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)點在于理論探索與實驗證明和數(shù)值模擬的結(jié)合——覆蓋到了所有的研究基礎(chǔ)。”$ ^0 W, D( d$ d, O

& C0 C* I- s1 [' W此項研究由沙特阿拉伯法赫德國王石油礦業(yè)大學(xué)資助。7 |' N3 Q4 r* c! r! E/ I/ W
作者: mecheng    時間: 2012-9-6 20:08
掃街的比叫獸水平高. {& v6 ~7 n& I* f
作者: chidiandong    時間: 2012-9-6 21:31
好貼！



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