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皱纹未必意味衰老,听听科学家怎么说

在力学范畴内,如果一种材料对外加的力、电、磁、光等刺激非常敏感,可以产生很大的变形,则通常称为软材料或软介质。它既可以是固体,也可以是液体。软与硬,仅是相对而言,因而一种材料是否视为软材料,并不是绝对的,而是取决于其结构类型、激励方式、特征尺寸、研究者所关注的问题等。在工业界,往往将硬材料与软材料加以综合使用,通过刚柔相济的设计充分发挥其各自的功能,以硬材料来承载、储能、作动、支撑、防护等,而以软材料实现表面物理和化学的各种功能,例如表面修饰、抗氧化、自清洁、密封、降噪等。


这种“软硬兼施”的策略,更被生命体在器官、组织、细胞、亚细胞、生物大分子等各个尺度上利用得淋漓尽致。


在生物体内,软组织存在很多与失稳相关的现象,如食道、气管、肠胃、血管等器官的内壁组织存在皱褶,大脑皮层表面的沟回随着年龄而演化。


这些皱纹意味着衰老么?



来听听科学家怎么说。


软材料及其变形特点


1991年,P. G. de Gennes在诺贝尔物理学奖获奖演讲中,首次用“软物质”(soft matter)一词概括介于固体(如金属、岩石、陶瓷等)与流体(如空气、水等)之间的一大类材料。他对软材料的定义非常宽广,例如高分子、液晶、胶体、水凝胶、气凝胶等。这里研究范畴相对较窄,主要关注固态软材料或粘性流体。所谓“软”,是指材料受到外界较小作用力而发生较大变形的性质。例如,橡皮泥、水凝胶等,用手指轻轻一捏,其外形就能发生很大的变化。然而,“软”与“硬”是相对而言,在不同系统中,同一材料可以被看作软材料,也可以被视为硬材料;在某些条件下,软、硬材料可以相互转变,如塑料高温熔化成流态。


软材料种类繁多,性能千变万化,为各种先进的功能材料与器件的制造提供了可能,也催生了诸多崭新的应用领域。


软材料也广泛存在于自然界。经过数亿年的自然演化与优胜劣汰,各种生物体均演化出了完善而复杂的身体系统,以高效、优化的方式实现其获取食物、消化吸收、能量转化、遗传发育、运动迁移、控制导航、信息传递、行为调控等方方面面的生物功能,适应其所在的各种不同环境,如海洋、森林、草原、沙漠、湖泊、冰川等。将硬材料和软材料有机结合,是各种动物体身体结构的一个突出特征。


软材料的弹性模量很低,对外界刺激响应敏感,因而比传统硬固体物质更容易失稳。在失稳过程中,材料或结构将偏离其原有的几何形貌,随之演化出产生新的规则或不规则的形貌,该过程一般称为形貌失稳(morphological instability)。在传统的固体结构稳定性理论中,重点关注的是杆件、薄壁结构等在压缩载荷下的失稳,称为屈曲(buckling)。传统稳定性理论大多关注由硬材料构成的工程结构,与之相比,软材料的失稳形式更加复杂多样,不仅会出现褶皱(wrinkle),在一定条件下会产生折痕(crease)、叠痕(fold)、凸脊(ridge)、凹陷(crater)等多种失稳形貌。


几种常见的失稳形貌如图1所示。一方面,在一些实际应用中,形貌失稳可以对材料或结构的功能和性能产生负面影响,导致原有功能的劣化或失效;另一方面,软材料失稳所产生的形貌也可以带来一些新的功能,并在一些领域获得应用,以调控材料表面的光学、热学、力学性能等。

图1  几种常见的失稳形貌


表面失稳技术的应用


与硬材料的屈曲相比,软材料失稳的物理机制和几何形貌呈现出多方面的复杂特征,例如三维甚至多级的表面形貌、大变形、几何与材料非线性、形貌之间的多重转换等,因而吸引了力学、物理、材料、生物学等领域科学家的兴趣,并催生了许多重要应用,例如平版印刷、功能表面制备、柔性电子器件、材料测试表征、三维(3D)打印与增材制造、生物医学工程、生物软组织形态学、微流控技术 、软体机器人等。


平板印刷技术


传统的平版制图技术主要是光刻法,但是这种技术不仅成本昂贵,而且很难突破100 nm的光学极限。微电子器件等的进一步发展需要制备更加微型化的表面斑图,为此,各国科学家积极开展新的微纳米斑图制备的研究,力图寻找简便、精确、高效、低耗、环保的表面制图技术。软材料表面失稳的独特性质为材料的表面功能化提供了一个新思路。研究发现,通过聚合物等软材料的表面失稳和自组装行为,可以生成具有一定周期、可调控的微纳米斑图,并可通过一些技术对斑图进行复制和转移。


例如,Chou等在研究纳米压印技术时发现,当平面刚性压头垂直靠近聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylme-thacrylate,简称PMMA)薄膜时,薄膜表面会形成规则的微柱阵列,如图2所示,并由此提出了平版印刷自组装(lithographically induced self-assembly,简称LISA)技术,成为薄膜表面斑图制备的一种新方法。该技术吸引了后续众多关于平版印刷自组装的理论、数值和实验研究,使之渐趋完善,并逐步发展出通过施加电场、自发失稳调控表面形貌的方法。


图2  LISA实验过程示意图和典型实验结果: (a) 高分子薄膜沉积在刚性基底上,(b) 平压头逐渐靠近高分子薄膜,(c) 薄膜表面失稳,(d) 薄膜表面形貌的光学图像,(e) 薄膜表面形貌的原子力显微镜图像


功能表面仿生制备


许多生物材料具有精巧的多级微、纳米表面结构,这些表面特征对于生物体的生物功能具有重要意义。


例如,正是由于具有表面微结构,荷叶(图3a和3b)和斗篷草的叶子具有超疏水和自清洁的功能,水黾(图3c)能在水面上轻松自如地站立和行走。受这些生物现象的启发,许多研究者致力于仿生学研究,设计与制备具有表面微结构的新材料,使其具有超疏水、自清洁或其它独特物理性能。Efimenko等提出的表面形貌制备方法,可以得到与荷叶表面类似的多级表面结构,如图3d所示。受水黾腿表面多级结构的启发,Zheng等提出将表面预制有周期微结构的薄膜粘附于软纤维上,通过表面屈曲产生多级形貌的新方法,如图3e所示。Chan等和Chandra等利用软材料表面失稳原理,提出了制备显微镜头阵列的新方法,具有制备快捷、成本低廉、尺寸可控、功能多样等优点,如图3f所示,该结构与蜻蜓等昆虫的复眼结构非常类似,有望用来仿生制造人工复眼。


图3  基于屈曲形貌的仿生结构:(a) 荷叶,(b) 荷叶表面的微结构,(c) 水黾,(d) 多级失稳仿生荷叶表面微结构,(e) 多级失稳仿生水黾腿表面微结构,(f) 仿生复眼


柔性电子器件


随着电子器件的小型化,如何在日益减小的芯片上制造高性能的电路成为半导体技术发展的挑战性难题。此外,在传统的微电子器件中,一般采用硅等无机材料作为基材,其具有刚度大、韧性差的特点,不能承受较大变形,也导致曲面结构电子器件的制备难以实现。而且,随着当今医疗技术的发展,在某些疾病的诊断和治疗过程中,需要在人体内植入生物相容性高的、具有传感等功能的器件,以便实现生理信号的在体测量、记录、观察,或者提供刺激,传统的微电子器件难以满足这些要求。于是,柔性电子器件应运而生。基于软材料表面失稳的力学性质,在聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,简称PDMS)等柔性基底上制备具有波浪状的电路,是解决上述难题的一种新思路。


例如,Khang等将单晶硅粘附在PDMS基底上,制备了可以承受较大面内单向拉压变形的柔性电子器件,如图4a所示。在此基础上,Choi等进一步利用软材料双向失稳的性质,制备了能承受较大的双向拉压变形的柔性电子器件,如图4b所示。

(a)

b)

图4  (a) 能承受单向拉压变形的柔性电子器件,(b) 能承受双向拉压变形的柔性电子器件


材料性质表征


表面失稳的另外一个应用是用于材料力学性质的定量表征。对于某些微、纳米尺寸的纤维、管、薄膜等材料,其力学性质难以通过传统的拉伸试验机进行测量,而利用表面失稳可以克服这一困难。


例如,将待测薄膜粘附在软材料(如PDMS)基底上,然后对系统施加单向面内压缩载荷,当载荷超过临界值后,薄膜发生屈曲,产生具有周期性形貌。由理论分析可知,当软基底厚度远大于薄膜厚度时,失稳波长, 其中h为薄膜厚度,和分别为薄膜和基底的弹性模量。故在已知基底弹性性质的情况下,通过测量失稳波长就可以反推出薄膜的弹性模量,该方法可测量从几纳米到几毫米厚的薄膜,弹性模量可以从MPa到GPa量级。最近,Cao等提出了基于软基底表面屈曲的一种方法,可以测量具有规则或非规则的横截面形状的微纳米纤维的力学性质,如图5a所示,给出了特征波长与待测材料几何、力学性质之间的简单关系。事实上,除了硬的纳米纤维和薄膜的力学表征外,软材料本身的力学性质测量也是一个难题。表面失稳也为测量软材料的力学性质提供了一种手段。例如,Huang等在漂浮于液体表面的软薄膜上滴加液滴,致其失稳,如图5b所示。由薄膜的失稳形貌,可以反演薄膜的弹性模量。这种方法可以测量厚度为几十纳米的薄膜。


(a)

b)

图5  利用压缩失稳进行材料性质测量:(a) 测量纤维的弹性性质,(b) 测量薄膜的弹性性质


生物组织形态学


相较于人工材料而言,生物材料的表面失稳和形貌演化有其行为上的特殊性和对生命的独特含义。生物软组织的生长和萎缩发生在不同的空间和时间尺度上,涉及复杂的生物、化学和物理过程。软材料的失稳有多种不同的物理机制和表现形式,例如相分离、相变、几何形貌的转变与演化等。生长决定着活组织的正常发育,此外,生物体病变也会导致生长。当生长引起的压缩应力超过临界值时,材料表面将屈曲成规则或不规则的形状。例如,一些树叶的边缘生长比中心区域快,所产生的残余应力可以导致树叶边呈波浪状。一些果实、花朵等的形貌也与其内部的非均匀生长(或萎缩)引发的失稳有关(图6)。


图6  植物组织中的失稳形貌:(a) 玉簪花的叶子,(b) 百合花的花瓣,(d) 黄水仙的花,(c) 地衣类植物的叶子, (e) 萎缩的豌豆,(f) 缩水的圣女果


在生物体内,软组织也存在很多与失稳相关的现象,如食道、气管、肠胃、血管等器官的内壁组织存在皱褶,大脑皮层表面的沟回随着年龄而演化。一方面,表面皱褶对于生物组织的生理功能具有重要意义,动物的食道粘膜褶皱具有促进食物下咽的作用,肠道粘膜表面褶皱可以增加营养吸收面积。失稳形貌还可起到调控表面粘附、浸润、色彩等性质;另一方面,一些异常的皱褶是由疾病引起的,如炎症、水肿、肿瘤、哮喘等。哮喘病患者的肺气管内表面粘膜褶皱波长和波幅均要大于正常人,嗜酸性胃肠炎病者的胃粘膜褶皱存在扩张现象。这些疾病引起的形貌演化往往产生不良的生理反应。因此,近年来,生物材料和组织的表面失稳与形貌演化问题也受到越来越多的关注。



本文摘编自冯西桥、曹艳平、李博著《软材料表面失稳力学》,内容有删减,题目为编者所加。



软材料表面失稳力学

(软物质前沿科学丛书)

“十三五”国家重点出版物出版规划项目

冯西桥、曹艳平、李博

责任编辑:刘信力

北京:科学出版社 2017.12

ISBN 9787030540935

清华大学教授十年磨一剑,

软物质前沿科学首本出版

软材料表面失稳力学》是一本关于软材料与生物软组织力学的专著,介绍了软材料失稳力学的基本理论、数值、实验方法及其应用,主要内容是作者在该领域取得的研究成果。全书共17章,介绍了软材料稳定性理论的国内外研究现状、基本理论与数值计算方法、在不同几何和载荷下薄膜-基底系统的失稳分析与形貌演化、基于失稳技术的表面形貌制备方法、生物软组织由于非均匀生长所引起的表面失稳与形貌演化等。


(本期编辑:安 静)


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