近期，上海交通大學機械與動力工程學院張文明教授團隊與化學化工學院姜學松教授合作研究，在Nature Communications上發(fā)表文章“Photo-induced stress relaxation in reconfigurable disulfide-crosslinked supramolecular films visualized by dynamic wrinkling”(被選為Editor's Highlights)，提出了一種基于光控動態(tài)超分子硬膜/軟基體系表面失穩(wěn)形貌的可編程重構方法，建立了聚合物薄膜表面失穩(wěn)-動態(tài)超分子鏈之間的跨尺度非線性本構力學模型，揭示了光驅動宏觀結構表面失穩(wěn)-薄膜應力松弛-動態(tài)分子的跨尺度耦合作用機制，突破了分子尺度擾動行為的可視化難題。胡開明副教授為本文共同第一作者，通訊作者為張文明教授和姜學松教授。
微納結構制造技術在智能顯示、結構色構造、防偽標志制作、微流體通道和界面工程領域有著十分廣泛的應用。雙層硬膜-軟基體系中聚合物硬膜和軟基之間界面應力不匹配導致的表面失穩(wěn)力學行為，可為表面微納結構制造提供一種新型的技術路線，同時硬膜/軟基體系中動態(tài)表面失穩(wěn)微納結構的研究對研制動態(tài)調控特性的功能表面器件具有重要的指導意義。然而微納尺度表面失穩(wěn)結構受到聚合物薄膜應力分布狀態(tài)調控，薄膜應力狀態(tài)與分子尺度的分子鏈構象密切相關。目前的研究中，分子運動引起的超分子鏈構象動態(tài)特性和表面失穩(wěn)微納結構動力學特性之間的跨尺度關聯(lián)關系難以厘清，通過動態(tài)分子精確調控、實現(xiàn)表面失穩(wěn)微納結構可編程重構是極具挑戰(zhàn)性的難題。
為了實現(xiàn)表面失穩(wěn)結構分子層面的可重構動態(tài)調控，研究團隊提出了一種基于光響應動態(tài)超分子的硬膜/軟基體系表面失穩(wěn)形貌的可編程重構方法，建立了聚合物薄膜表面失穩(wěn)-動態(tài)超分子鏈之間的跨尺度本構模型，厘清了光驅動硬膜/軟基體系結構失穩(wěn)-應力松弛-動態(tài)分子運動之間跨尺度關聯(lián)關系，突破了超分子之間擾動行為的可視化難題。基于動態(tài)化學的微觀-宏觀跨尺度力學模型有助于深入理解動態(tài)分子調控的表面失穩(wěn)微納結構動力學演化規(guī)律，促進結構動力學與動態(tài)化學兩個學科之間交叉融合，還可推動功能表面器件表面失穩(wěn)結構-動態(tài)分子鏈的跨尺度動力學設計理論發(fā)展。
圖1. 光控動態(tài)超分子誘致硬膜-軟基體系的“蝴蝶效應”
研究團隊將含吡啶的共聚物和含光敏二硫化物的苯甲酸單體組成的動態(tài)交聯(lián)超分子聚合物網絡，旋涂在聚二甲基硅氧烷（PDMS）彈性體上，構筑光響應動態(tài)超分子硬膜-軟基體系。上述體系在365nm紫外線照射下，由二硫鍵交換引起的交聯(lián)超分子網絡的內部應力松弛，可以選擇性地消除硬膜-軟基體系中曝光區(qū)域表面失穩(wěn)結構。更值得注意的是，最初垂直于曝光邊界的未曝光表面失穩(wěn)結構在加熱/冷卻后出現(xiàn)正交的結構拓撲突變現(xiàn)象。研究團隊將光誘導的二硫鍵動態(tài)交換的微擾效應引起的硬膜-軟基體系中表面失穩(wěn)結構拓撲結構突變現(xiàn)象，稱為光控動態(tài)超分子誘致硬膜-軟基體系的“蝴蝶效應”。為了厘清上述跨尺度“蝴蝶效應”形成的力學機理，研究團隊建立一種聚合物薄膜表面失穩(wěn)-動態(tài)超分子鏈之間的跨尺度非線性本構力學模型，揭示了光驅動體系表面失穩(wěn)-薄膜應力松弛-分子二硫鍵動態(tài)交換的跨尺度耦合作用機制,為基于表面失穩(wěn)結構的超分子尺度擾動行為可視化探測提供堅實的理論支撐。
圖 2. 動態(tài)超分子網絡驅動的表面失穩(wěn)微納結構跨尺度動力學建模
研究團隊進一步利用基于光誘導硬膜二硫鍵交換的擾動效應，可以實現(xiàn)對薄膜應力分子層面可控編輯，并通過選擇性紫外曝光制備一系列復雜表面失穩(wěn)結構圖案，如“SJTU”字母、三葉草、中國結和蝴蝶等形狀圖案被光刻在功能表面器件上，隨后被選擇性地擦除，且不同形狀的復雜圖案信息可以多次迭代地在雙層膜的表面上可重構寫入-擦除，并且由于寫入和擦除區(qū)域之間的光散射強度不同而使其肉眼可見。因此，上述可重構表面失穩(wěn)圖案可用于智能信息顯示、動態(tài)無墨印刷和防偽等領域。
圖3. 基于可重構表面失穩(wěn)圖案的動態(tài)防偽標簽
該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金重點項目和上海市基礎研究重大項目資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35271-9
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