Việc thiết kế và ứng dụng các cấu trúc micronanomet trên bề mặt nhân tạo đã thu hút sự chú ý rộng rãi trong vài thập kỷ qua. Mặc dù các chiến lược in thạch bản hoặc mẫu truyền thống có ưu điểm là độ chính xác cao và độ lặp lại tốt, nhưng cũng có những hạn chế vốn có như thiết bị đặc biệt, chi phí cao và hiệu quả thấp. Ngược lại, phương pháp tự lắp ráp dựa trên sự mất ổn định bề mặt do căng thẳng, cung cấp một con đường thay thế không tốn kém, hiệu quả và đáng tin cậy để nhanh chóng tạo ra các cấu trúc micronanomet có trật tự trên một khu vực rộng lớn mà không cần các công cụ in thạch bản truyền thống và mặt nạ. Tuy nhiên, các cấu trúc nếp gấp được tạo ra bởi các phương pháp hiện tại thường có hình thái đơn lẻ và phân bố đều trên bề mặt, gây khó khăn cho việc đạt được quy mô lớn của quy định đa phương thức trong một mẫu duy nhất. Do đó, nhóm giáo sư Hu Liang của Đại học Khoa học và Công nghệ Điện tử Hàng Châu và nhóm giáo sư Nghê Dũng của Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc đã đề xuất một cách dễ dàng và hiệu quả để chuẩn bị nếp gấp đa chế độ có thể kiểm soát bằng cách áp dụng tải cơ học ba trục.

Nghiên cứu này sử dụng một thiết bị kéo dài ba trục (góc kẹp 120 °) được thiết kế tùy chỉnh để áp dụng một pre-căng thẳng đồng nhất trên một chất nền linh hoạt hình tam giác như PDMS, Ecoflex, sau đó sử dụng các kỹ thuật như phún xạ magnetron hoặc sửa đổi bề mặt ozone cực tím (UVO) để tạo thành một lớp bề mặt cứng trên một chất nền được kéo dài trước; Bằng cách giải phóng đồng bộ ba trục tiền căng thẳng, bộ phim gây ra sự mất ổn định nén, dẫn đến sự hình thành của cấu trúc nếp gấp (Hình 1). Việc sử dụng kính hiển vi quang học và kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) để mô tả một cách có hệ thống hình dạng, kích thước của nếp gấp và quy luật tiến hóa của chúng theo vị trí (từ góc đến đối diện) (Hình 2), kết hợp với mô phỏng phần tử hữu hạn và phân tích lý thuyết, cho thấy đặc điểm phân bố căng thẳng của màng hình tam giác dưới nén ba trục (Hình 3).

Hình 1 Chuẩn bị nếp gấp đa chế độ dưới biến dạng ba trục

Hình 2 Hình dạng nếp gấp của hai hệ thống màng khác nhau ở các vị trí khác nhau (góc, cạnh và trung tâm)

B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)

Kết quả thí nghiệm cho thấy hình dạng nếp gấp thể hiện sự phụ thuộc đáng kể vào vị trí: từ các nếp gấp sọc thẳng ở góc mẫu, dần dần tiến hóa thành các nếp gấp mê cung ở khu vực trung tâm và cuối cùng là các nếp gấp gợn sóng gần các cạnh (Hình 4). Cả bước sóng và biên độ của nếp gấp đều tăng gần tuyến tính khi độ dày của màng tăng lên, nhưng các đặc điểm mô hình cơ bản của nó vẫn không thay đổi. Mô phỏng phần tử hữu hạn xác nhận rằng sự phân bố đa chế độ này bắt nguồn từ sự thay đổi liên tục của dị hướng ứng suất bên trong màng dưới tải ba trục theo vị trí. Thử nghiệm hiệu suất chức năng tiếp tục cho thấy rằng các nếp gấp ở các chế độ khác nhau cho thấy tiềm năng ứng dụng độc đáo: ma sát của các sọc và nếp gấp gợn cho thấy đẳng hướng mạnh (Hình 5), trong khi ma sát của các nếp gấp mê cung là đẳng hướng (Hình 6). Đồng thời, các nếp gấp ở các vị trí khác nhau tạo ra các mẫu nhiễu xạ laser rất khác nhau và các tính chất quang học này có thể đảo ngược và ổn định bằng các biến dạng cơ học. Cùng với nhau, những kết quả này cho thấy các nếp gấp đa chế độ được chuẩn bị bằng ứng suất ba trục có tiềm năng ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật bề mặt thông minh và các thiết bị điều chỉnh (Hình 7).

Hình 4 Vị trí phụ thuộc vào nếp gấp đa chế độ

Hình 5 Đặc tính ma sát của nếp gấp sọc

Hình 6 Đặc tính ma sát của các nếp gấp mê cung và gợn sóng

Hình 7 Tính chất quang học của nếp gấp đa chế độ

Kết hợp với nhau, nghiên cứu này đã phát triển một phương pháp dễ dàng dựa trên tải căng thẳng ba trục để chuẩn bị nếp gấp đa chế độ có kiểm soát trong các hệ thống màng linh hoạt. Điểm mạnh cốt lõi của phương pháp này là sự đơn giản, hiệu quả cao và tính phổ quát của nó, loại bỏ sự cần thiết của quá trình in thạch bản hoặc khuôn mẫu phức tạp, với triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực điện tử có thể kéo dài, quang học đàn hồi, kỹ thuật bề mặt, thiết bị sinh học và nhiều hơn nữa. Phương pháp hiện tại được thực hiện trên cơ sở mặt phẳng hai chiều. Và nhiều kịch bản ứng dụng thực tế (như thiết bị đeo, khớp robot) liên quan đến các bề mặt ba chiều phức tạp, làm thế nào chiến lược tải ba trục này phù hợp với bề mặt và dự đoán các mẫu nếp nhăn của nó có thể được nghiên cứu sâu hơn.