O design e a aplicação de micronanoestruturas de superfície artificial receberam ampla atenção nas últimas décadas. Embora as estratégias tradicionais de gravura ou modelo tenham vantagens como alta precisão e boa repetibilidade, existem limitações inerentes como equipamentos especiais, alto custo e baixa eficiência. Em contraste, o método de auto-montagem baseado na desestabilização superficial impulsionada pelo estresse oferece uma alternativa de baixo custo, eficiente e confiável para a rápida geração de micronanoestruturas ordenadas em grandes áreas sem a necessidade de ferramentas fotográficas e máscaras tradicionais. No entanto, as estruturas dobradas geradas pelos métodos existentes são geralmente morfológicamente singulares e distribuídas uniformemente na superfície, o que dificulta a realização de uma regulação multimodal em grande escala em uma única amostra. Portanto, a equipe de professores Huliang da Universidade de Ciência e Tecnologia Elétrica de Hangzhou e Ni Yong da Universidade de Ciência e Tecnologia da China propôs um método simples e eficiente para preparar dobras multimodais controláveis ​​aplicando cargas mecânicas de três eixos.

Este estudo usou um dispositivo de estiramento de três eixos (ângulo de 120 °) projetado sob medida para aplicar pré-tensão uniforme ao substrato flexível triangular (como PDMS, Ecoflex) e, em seguida, usar técnicas como sputtering magnetrônico ou modificação superficial de ozônio ultravioleta (UVO) para formar uma camada superficial rígida sobre o substrato pré-estirado; Destabilização da compressão da película é induzida pela liberação sincronizada da pré-tensão de três eixos, formando assim uma estrutura dobrada (Figura 1). O uso de microscópio óptico e microscópio de força atômica (AFM) caracterizou sistematicamente a forma, o tamanho e as leis evolutivas das dobras com a sua posição (do canto ao lado oposto) (Figura 2) e, em combinação com a simulação de elementos finitos e análise teórica, revelou as características da distribuição de tensão das películas triangulares sob compressão triaxial (Figura 3).

Figura 1 Preparação de dobras múltiplas de três eixos

Figura 2 Forma de dobra de dois sistemas de películas diferentes em diferentes posições (canto, borda e centro)

Figura 3 Resultados da análise de elementos finitos

Os resultados experimentais mostraram que a morfologia das dobras apresentava uma dependência significativa da localização: de dobras em raias retas no canto da amostra, evoluindo gradualmente para dobras labirintosas na área central e, finalmente, para dobras onduladas perto da borda (Figura 4). O comprimento de onda e a amplitude das dobras aumentam quase linearmente com o aumento da espessura da película, mas suas características padrão básicas permanecem inalteradas. Simulações de elementos finitos confirmam que essa distribuição multimodal deriva de mudanças contínuas na tensão interna da película sob carga triaxial. Os testes de desempenho funcional mostraram ainda que os diferentes padrões de dobras mostraram um potencial de aplicação único: o atrito das dobras listradas e onduladas mostrou uma forte heterogeneidade (Figura 5), enquanto o atrito das dobras labirintosas foi homogêneo em todas as direções (Figura 6). Ao mesmo tempo, as dobras em diferentes locais produzem padrões de difração laser muito diferentes, e essas propriedades ópticas podem ser reguladas de forma reversível e estável por meio de tensões mecânicas. Juntos, esses resultados sugerem que dobras multimodais preparadas com tensões de três eixos têm um potencial de aplicação importante na área de engenharia de superfície inteligente e dispositivos sintonizáveis (Figura 7).

Figura 4 Dependência de posição de dobras múltiplas

Figura 5 Características de atrito de dobras listradas

Figura 6 Características de atrito de dobras labirintas e onduladas

Figura 7 Características ópticas de dobras multimodais

Em resumo, este estudo desenvolveu um método simples baseado em cargas de tensão de três eixos para preparar dobras multimodais controladas em sistemas de filme flexível. A principal vantagem deste método é a sua simplicidade, eficiência e versatilidade, sem a necessidade de processos complexos de fotogravura ou modelo, com amplas perspectivas de aplicação em áreas como eletrônica esticável, óptica elástica, engenharia de superfície, dispositivos biônicos e outros. O método atual é implementado em uma base de plano bidimensional. Enquanto muitos cenários práticos (como dispositivos vestíveis, articulações robóticas) envolvem superfícies tridimensionais complexas, como adaptar essa estratégia de carga triaxial à superfície e prever seus padrões de rugas pode ser estudado mais profundamente.