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麻省理工學院的一個研究團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構。. {8 u+ x4 K! n; l: Z2 }& O; k. D
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葡萄干上的皺褶源于一個簡單的效應：當內部的果肉干燥時，果皮變硬并且隨著果肉體積的減小而收緊。現在，一個麻省理工的研究團隊發現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。
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研究者說，這種基本方法可以用于制造多種有用的結構：例如用于生物學研究、傳感和診斷的微流體系統：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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由麻省理工學院的博士后Jie Yin和Jose Luis Yagüe，校友2010屆科學碩士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，論文發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。& ]% x5 `" a1 n( D; `
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這種方法采用了兩層材料。底層材料或者說基質，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化學氣相沉積（initiated chemical vapor deposition）（iCVD）的加工過程，先在真空環境加熱并蒸發，然后沉積在處于拉伸狀態的基質表面上，并且牢固地和其結合在一起。然后，也就是新方法的關鍵步驟，是先沿一個方向放松拉伸的基質，然后再沿另外一個方向釋放，而不是兩個方向同時放松。" c" \3 B% c* a2 a3 _
& P; D5 _8 H+ m5 v L/ b如果張力立刻完全釋放，結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。, W6 |5 p* k3 Q6 p* e0 s
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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，
( i' j9 f& y, ?$ d- MGleason說，這套方法具有非同一般的能力，不需要遮罩或復雜的印刷、模具鑄造或掃描工藝，就可以制造出精確可控的皺褶紋樣。
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; j/ W, U& F, w控制皺褶紋樣7 N# P9 ~/ x7 J5 `' [, d
; X, W* B9 [, }: e( _: e4 LAlexander and I. Michael Kasser化學工程教授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。這種技術是Gleason和同事在數年前發明的，利用這種方法可以嚴格控制沉積層的厚度，也能控制涂層表面的化學性質。
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0 F+ C+ k1 e; e5 X& G J$ G此外，iCVD方法還提供了高強度的粘著力，這對于形成皺褶也是很有用的。如果沒有足夠強的粘著力，表面層就會從基質上剝離下來。6 k' W w1 W2 X8 ]6 R
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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，麻省理工機械工程系主任，工程學Ford教授Boyce 說，“這種可獲得確定紋樣皺褶的性質是非常有用的，而且根據其中的原理可以按需設計表面拓撲結構。
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$ n: J+ ?, `7 H) V8 Y XYagüe說：“一個重要的應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，”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行測量。- L; _/ }; e" F F9 f! S' R
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多個潛在應用領域4 u/ I1 j* E, L5 [4 I& m u, ^
2 X# K/ ^& ?: \% ]/ ]研究者說，另外一種可能的應用領域是微流體器件，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，或醫療診斷設備。這個技術還有一種可能的應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成分共同決定的。( S6 @& S2 I( f
( l$ C0 H' v a( X. S# b. u' l& ^這樣的紋樣也可以令材料表面互相粘附，在這種情況下，附著力的強度也是可以控制的。 “可以動態調節皺褶紋樣——在使用過程中，拉伸或其他變形方式都可以用來調節紋樣以及相應的材料性能，” Boyce說，甚至能讓表面恢復到完美的平面狀態。這可用來實現能夠快速分開的牢固粘合方法，也可用來動態改變反射率或潤濕性。: I7 a$ `0 U$ q, K) t6 N9 t' z
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之前也有多種用于制造具有類似微觀紋樣的表面的技術，紋樣的尺度從幾個納米到數十微米。但多數這類方法都需要復雜的制造工藝，或者只能用于面積狹小的材料。
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而據研究組說，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。# S0 c. x3 c: v Z6 u+ b
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研究組成員說，得到的紋樣可預測是一個巨大的驚喜。Gleason說：“實驗結果和模擬的吻合程度令人驚訝。”
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未參與此項研究的哈佛大學工程學與應用力學教授John Hutchinson說：“起皺現象是高度非線性的，關于紋樣形成問題的答案遲遲沒有出現。”他說麻省理工研究組的工作“在化學與機械工程結合的熱門研究領域中向前邁出了重要的一步。其優點在于理論探索與實驗證明和數值模擬的結合——覆蓋到了所有的研究基礎。”3 C) T! W% j4 s
j5 i" I' K! ^此項研究由沙特阿拉伯法赫德國王石油礦業大學資助。
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發表于 2012-9-6 19:24:34
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