El diseño y la aplicación de microestructuras y nanoestructuras en superficies artificiales han atraído una gran atención en las últimas décadas. Aunque las estrategias tradicionales de litografía o plantilla tienen las ventajas de alta precisión y buena repetibilidad, también tienen limitaciones inherentes de equipos especiales, alto costo y baja eficiencia. Por el contrario, el método de Autoensamblaje basado en la inestabilidad de la superficie impulsada por el estrés proporciona un camino alternativo de bajo costo, eficiente y confiable, que puede generar rápidamente microestructuras ordenadas en grandes áreas sin herramientas y máscaras litográficas tradicionales. Sin embargo, las estructuras plisadas generadas por los métodos existentes generalmente tienen una forma única y se distribuyen uniformemente en la superficie, lo que dificulta la regulación multimodo a gran escala en una sola muestra. Por lo tanto, el equipo del Profesor Hu Liang de la Universidad de Ciencia y tecnología electrónica de Hangzhou y el equipo del Profesor ni Yong de la Universidad de Ciencia y tecnología de China propusieron un método simple y eficiente para preparar pliegues multimodo controlables mediante la aplicación de cargas mecánicas de tres ejes.

Este estudio utiliza un dispositivo de estiramiento de tres ejes (ángulo incluido de 120 °) diseñado a medida para aplicar una pretensación uniforme a sustratos flexibles triangulares (como pdms, ecolex), y luego utiliza técnicas como el chorro de magnetón o la modificación de la superficie del ozono ultravioleta (ovo) para formar una capa superficial rígida sobre sustratos pretensados; Al liberar simultáneamente la pretensación triaxial, se induce la inestabilidad por compresión de la película, formando así una estructura plisada (figura 1). La morfología, el tamaño y la evolución de los pliegues con su posición (de esquina a lado opuesto) se caracterizaron sistemáticamente con microscopía óptica y microscopía de fuerza atómica (afm) (figura 2), y las características de distribución de esfuerzo de las películas triangulares bajo compresión triaxial se revelaron en combinación con la simulación de elementos limitados y el análisis teórico (figura 3).

Figura 1 Preparación de pliegues multimodo bajo tensión triaxial

Figura 2 morfología de pliegues de dos sistemas de película diferentes en diferentes posiciones (rincones, bordes y centros)

Figura 3 resultados del análisis de elementos limitados

Los resultados experimentales muestran que la morfología de los pliegues presenta una dependencia significativa de la posición: de los pliegues en forma de rayas rectas en las esquinas de la muestra, evolucionan gradualmente a los pliegues en forma de laberinto en la región central y finalmente se transforman en pliegues ondulantes cerca del borde (figura 4). La longitud de onda y la amplitud del pliegue aumentan aproximadamente linealmente con el aumento del espesor de la película, pero sus características básicas de modo se mantienen sin cambios. La simulación de elementos limitados confirma que esta distribución multimodo se debe a los cambios continuos en la isotrópico de tensión interna de la película con la posición bajo carga triaxial. Las pruebas de rendimiento funcional demuestran además que los pliegues de diferentes modos muestran un potencial de aplicación único: las fricciones de los pliegues de rayas y corrugados muestran una fuerte heterogeneidad (figura 5), mientras que las fricciones de los pliegues del laberinto son isotrópicas (figura 6). Al mismo tiempo, los pliegues en diferentes posiciones producen patrones de difracción láser muy diferentes, y estas propiedades ópticas se pueden regular de manera reversible y estable a través de cepas mecánicas. Estos resultados muestran conjuntamente que los pliegues multimodo preparados con cepas triaxiales tienen un importante potencial de aplicación en el campo de la ingeniería de superficies inteligentes y dispositivos tunables (figura 7).

Figura 4 Dependencia de la posición de los pliegues multimodo

Figura 5 características de fricción de los pliegues a rayas

Figura 6 características de fricción de los pliegues laberintos y ondulantes

Figura 7 propiedades ópticas de los pliegues multimodo

En resumen, este estudio ha desarrollado un método simple basado en la carga de tensión triaxial para la preparación de pliegues multimodo controlables en sistemas de película flexible. La ventaja central de este método radica en su simplicidad, eficiencia y versatilidad, sin procesos complejos de litografía o plantilla, y tiene amplias perspectivas de aplicación en electrónica extensible, óptica elástica, ingeniería de superficies, dispositivos biónicos y otros campos. El método actual se implementa en una base plana bidimensional. Por su parte, muchos escenarios de aplicación práctica, como dispositivos portátiles y articulaciones robóticas, implican superficies tridimensionales complejas, y cómo adaptar esta estrategia de carga de tres ejes a las superficies y predecir sus patrones de arrugas se puede estudiar más a fondo.