Das Design und die Anwendung von künstlichen Oberflächen Mikro-Nanostrukturen wurden in den letzten Jahrzehnten weit verbreitet. Traditionelle Gravur- oder Schablonenstrategien haben zwar Vorteile wie hohe Genauigkeit und gute Wiederholbarkeit, aber es gibt auch inhärente Einschränkungen wie spezielle Geräte, hohe Kosten und geringe Effizienz. Im Gegensatz dazu bietet die Selbstmontage-Methode, die auf einer spannungsgetriebenen Oberflächenstabilität basiert, einen kostengünstigen, effizienten und zuverlässigen alternativen Weg zur schnellen Erzeugung geordneter Mikronanostrukturen auf großen Flächen ohne herkömmliche Lithographiewerkzeuge und Masken. Die Faltenstruktur, die durch bestehende Methoden erzeugt wird, ist jedoch in der Regel morphologisch einheitlich und gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt, was es schwierig macht, eine große Multimode-Regulierung in einer einzigen Probe zu erreichen. Daher haben das Team von Professor Huliang der Hangzhou University of Electronic Science and Technology und das Team von Professor Ni Yong der Chinese University of Science and Technology eine einfache und effiziente Methode vorgeschlagen, um steuerbare Multimode-Falten vorzubereiten, indem dreichsige mechanische Belastung aufgebracht wird.

Diese Studie verwendet eine maßgeschneiderte dreiachtige (Zwischenwinkel 120 °) Dehnungseinrichtung, die gleichmäßige Vorspannung auf dreieckige flexible Grundlagen (wie PDMS, Ecoflex) ausübt und anschließend eine starre Oberflächenschicht auf dem vorgezogenen Grundlage mit Magnetronsputtern oder UV-Ozon (UVO) Oberflächenmodifikation bildet; Durch die synchrone Freisetzung der dreichsigen Vorspannung wird eine Kompressionsunstabilität des Films induziert, die eine Faltenstruktur bildet (Abbildung 1). Weitere Verwendung von optischem Mikroskop und Atomkraftmikroskop (AFM) systematisch Charakterisierung der Form der Falten, die Größe und ihre evolutionären Gesetze mit der Position (von der Ecke zur Gegenseite) (Abbildung 2) und in Kombination mit der Simulation von Endelementen und der theoretischen Analyse enthüllt die Eigenschaften der Spannungsverteilung der dreieckigen Filme unter dreichassiger Kompression (Abbildung 3).

Abbildung 1 Vorbereitung von Drei-Achsen-Falten

Abbildung 2 Faltenform zweier unterschiedlicher Filmsysteme an unterschiedlichen Stellen (Ecke, Rand und Mitte)

Abbildung 3 Ergebnisse der Analyse der Endelemente

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Faltenform eine signifikante Positionsabhängigkeit zeigt: Von der geraden streifenförmigen Falte in der Probenecke entwickelt sich allmählich zu einer labyrinthförmigen Falte im zentralen Bereich und schließlich zu einer wellenförmigen Falte in der Nähe des Randes (Abbildung 4). Die Wellenlänge und Amplitude der Falten erhöhen sich etwa linear mit zunehmender Filmdicke, aber ihre grundlegenden Mustereigenschaften bleiben unverändert. Die Simulation der Endelemente bestätigt, dass diese Multimode-Verteilung durch kontinuierliche Änderungen der Position der inneren Spannungen der dünnen Folie unter dreichsiger Belastung entsteht. Funktionelle Leistungstests zeigten weiter, dass Falten in verschiedenen Mustern ein einzigartiges Anwendungspotenzial aufweisen: Die Reibung von Streifen- und Wellenflätten zeigt starke omnidirectionelle Heterogenität (Abbildung 5), während die Reibung von Labyrinthfalten omnidirectionell homogen ist (Abbildung 6). Gleichzeitig erzeugen Falten an unterschiedlichen Stellen sehr unterschiedliche Laserdiffraktionsmuster, und diese optischen Eigenschaften können durch mechanische Beanspruchung reversibel und stabil reguliert werden. Zusammen zeigen diese Ergebnisse, dass Multimodus-Falten, die mit Drei-Achs-Spannungen vorbereitet werden, ein wichtiges Anwendungspotenzial im Bereich intelligenter Oberflächentechnik und einstellbarer Geräte haben (Abbildung 7).

Abbildung 4 Positionsabhängigkeit von Multiform-Falten

Abbildung 5 Reibungseigenschaften der gestreiften Falten

Abbildung 6 Reibungseigenschaften von labyrinthförmigen und wellenförmigen Falten

Abbildung 7 Optische Eigenschaften von Multimode-Falten

Zusammenfassend entwickelte diese Studie eine einfache Methode zur Herstellung von steuerbaren Multimode-Falten in flexiblen Foliensystemen, basierend auf dreichsigen Spannungslasten. Der zentrale Vorteil dieser Methode besteht in seiner Einfachheit, Effizienz und Universalität, ohne komplizierte Lithographie- oder Schablonenprozesse, und bietet breite Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen der dehnbaren Elektronik, der elastischen Optik, der Oberflächentechnik und der Bionik. Die aktuelle Methode wird auf der Grundlage einer zweidimensionalen Ebene implementiert. Während viele praktische Anwendungsszenarien (wie tragbare Geräte, Robotergelenke) komplexe dreidimensionale Flächen betreffen, kann man weiter untersuchen, wie diese dreiassige Laststrategie an die Fläche angepasst und ihre Faltenmuster vorhergesagt wird.